TWI841284B - 光學系統，特別是用於微影技術，以及用於操作光學系統的方法 - Google Patents

Abstract

本發明說明關於一種光學系統，特別是用於微影的光學系統，以及一種用於操作光學系統的方法。根據本發明的光學系統包括用於生成多個光脈衝的雷射光源和控制單元，控制單元被配置為將雷射光源控制成使得，對於由雷射光源生成的光脈衝序列，各連續光脈衝之間存在的時間週期在光脈衝序列上變化。

Description

光學系統，特別是用於微影技術，以及用於操作光學系統的方法

本發明係關於一種光學系統，特別是用於微影技術的光學系統，以及一種用於操作光學系統的方法。本發明有利地特別適於用於微影投影曝光設備的雷射光源。

微影技術用於生產微結構電子部件。微影製程在所謂的投影曝光設備中進行，該投影曝光設備具有照明裝置和投影鏡頭。在此情況下，通過照明裝置照明的光罩（=倍縮光罩(reticle)）的圖像通過投影鏡頭投影到基底（例如矽晶圓）上，該基底被塗覆有光敏層（光阻劑）並且佈置在投影鏡頭的像平面中，以便將光罩結構轉印到基底的光敏塗層。

在設計用於在深紫外光DUV波長範圍內（例如在小於250 nm的操作波長下，特別是小於200 nm的操作波長下）操作的投影曝光設備中，通常使用準分子雷射裝置形式的雷射光源，特別是在248 nm的操作波長下的氟化氪KrF準分子雷射裝置或在193 nm的操作波長下的氟化氬ArF準分子雷射裝置。

投影曝光設備發展過程中的現有挑戰關於，首先，對微影技術生產越來越小的結構以及將其定位在晶圓上的精度的要求不斷提高，其次，還涉及相應投影曝光設備實現的產量的增加，從成本考慮的角度來看，這種增加是合乎期望的。

尤其在上述雷射光源的操作過程中，對於要滿足的精度要求而言，所出現的關鍵影響之一是出現所謂的散斑圖案，其歸因於所產生的光的空間和時間相干性。這種散斑圖案尤其導致在不同微影步驟中產生的結構的重疊精度降低，從而最終損害投影曝光設備的光學性能。

就上述利用各個投影曝光設備實現的產量增加而言，一個問題在於對脈衝能量的增加及/或重複率的增加施加了限制，這些增加中的每一個對於增加雷射光源的輸出功率都是所期望的。在這方面，脈衝能量的增加導致雷射光源內的光學部件的輻射負載更高，並且電子元件的應力也更大。在這方面已知的一種方法包括通過使用光脈衝展寬器將雷射光源產生的脈衝（具有例如20 ns的脈衝長度）拉伸到更長的持續時間，例如(100-450) ns，從而相應地減少下游光學部件的退化。然而，由於光脈衝展寬器也存在結構空間限制，並且隨著反射次數的增加而輸出功率降低，因此對脈衝長度的這種拉伸施加限制。此外，仍然存在相對於光束路徑位於光脈衝展寬器上游的那些光學部件的退化的風險。

另一方面，重複率的增加以及因此雷射光源共振器內的放電頻率的增加，所述增加同樣可被認為用於增加雷射光源的輸出功率，可導致聲學共振並最終導致光譜頻寬上升到可接受的測量之上。

就現有技術而言，純粹以舉例的方式參考WO 2018/132198 A1、US 10,451,890 B2、US 11,054,665 B2、US 7,782,922 B2以及H. Miyamoto等人的出版物“ 用於支援先進製程的多圖案浸潤式微影的次世代 ArF 雷射技術”，Optical Microlithography XXXI, Proc. of SPIE 第10587卷(2018), 1058710-1至1058710-8頁，以及K. Kakizakietal等人的“ 用於 193 nm 微影長脈衝持續時間的超高重複率 ArF 準 分子雷射裝置”，光學微影XIV，SPIE第4346卷(2001年)，第1210-1218頁。

本發明的一個目的是提供一種包括雷射光源的光學系統，特別是用於微影的光學系統，以及一種用於操作光學系統的方法，其使得有可能減少散斑圖案的出現，並且還增加雷射光源的輸出功率，同時至少部分地避免上述問題。

該目的是通過根據獨立申請專利範圍第1項的特徵的光學系統和根據獨立申請專利範圍第14項的特徵的方法來實現的。

根據本發明，一種光學系統，特別是用於微影的光學系統，包括： 一雷射光源，用於產生多個光脈衝；以及 一控制單元，其配置為將該雷射光源控制成使得，對於由雷射源產生的光脈衝序列，各連續光脈衝之間存在的時間週期在所述光脈衝序列上變化。

特別是在包括用於產生多個光脈衝的雷射光源的光學系統中，本發明的基本概念是在脈衝系列中的兩個連續光脈衝之間存在的時間週期不以常規方式選擇為恒定值，而是選擇為變數。在這方面，本發明特別包括對雷射光源的有意去諧（從以連續光脈衝之間的一次性“優化”時間間隔偏離操作狀態的意義上來說），其目的首先是實現散斑對比度的降低（從而提高光學系統的重疊性能， 這主要由散斑對比度決定），其次還可以增加雷射光源的重複率（從而增加光學系統操作期間的產量），同時避免在雷射光源中激發不希望的（腔體）共振。特別地，根據本發明的脈衝系列或光脈衝序列內兩個連續光脈衝之間存在的時間週期的變化具有光場對於每個相關光脈衝不同的效果，其結果是對散斑對比度至關重要的時間和空間相干性被破壞。

根據一實施例，控制單元被配置為控制至少一個致動器，以用於操縱雷射光源的至少一個光學部件的位置。

根據一實施例，光學系統包括具有多個反射鏡的光脈衝展寬器。在這種情況下，在致動器處控制的光學部件可以特別是光脈衝展寬器的反射鏡。

根據一實施例，控制單元被配置成可變地調整觸發信號的時間延遲，觸發信號被生成用於觸發饋送到雷射光源的雷射介質中的能量。該實施例的優點尤其在於，在由雷射光源產生的光到達另外的部件（例如光脈衝展寬器）之前，已經可以有效地防止背景技術中的任何不利的聲共振的出現。雷射介質可以是雷射光源的主振盪器的雷射介質及/或雷射光源的一個或多個功率放大級（“功率放大器”）的雷射介質。

根據一個實施例，該光學系統還包括第一測量單元，用於測量表徵由雷射光源產生的光的散斑對比度的變數。在這種情況下，控制單元可以特別被配置為根據第一測量單元的輸出信號而改變光脈衝的時間脈衝系列。

根據一個實施例，光學系統還包括第二測量單元，用於測量表徵由雷射光源產生的光的頻寬的變數。控制單元可以特別在這裡被配置為根據第二測量單元的輸出信號而改變光脈衝的時間脈衝系列。

根據一個實施例，控制單元包括亂數產生器，用於每兩個連續光脈衝之間存在的時間週期的隨機變化。

根據一個實施例，控制單元被配置為將在預定義的下限值與預定義的上限值之間的每兩個連續光脈衝之間存在的時間週期連續增加或連續減少。

根據一個實施例，雷射光源被設計用於產生重複率至少為7 kHz的光脈衝。

根據一個實施例，光學系統被設計用於小於250 nm的操作波長，特別是小於200 nm的操作波長。

本發明還涉及一種操作光學系統的方法，特別是用於微影的方法，其中，光學系統包括用於生成多個光脈衝的雷射光源，並且其中雷射光源被控制成使得，對於由雷射光源生成的光脈衝序列，各連續光脈衝之間存在的時間週期在光脈衝序列上變化。

根據一個實施例，該變化是在測量表徵雷射光源產生的光的散斑對比度的變數的基礎上進行調整的。

根據一個實施例，變化是在雷射光源產生的至少一個光脈衝的相應頻寬的測量的基礎上進行調整。

根據一個實施例，變化被調整為使得，與在沒有這種變化的情況下產生的平均頻寬相比，由雷射光源產生的光脈衝的平均頻寬降低。

根據一個實施例，變化被調整成使得，與在沒有這種變化的情況下產生的平均頻寬差相比，連續光脈衝之間的平均頻寬差減少。

根據一個實施例，該變化至少部分地通過操縱雷射光源的至少一個光學部件的位置、特別是光脈衝展寬器的至少一個反射鏡的位置來實現。

根據一個實施例，該變化至少部分地通過可變地調整觸發信號的時間延遲來實現，觸發信號被生成用於觸發饋送到雷射光源的雷射介質中的能量。

本發明的另外的實施例從說明書和從屬請求項中顯而易見。

以下將基於附圖中所示的示例性實施例更詳細地解釋本發明。

下面參照圖1-圖3中的示意圖和圖4-圖5中的示意圖來解釋本發明的實施例。

這些實施例的共同點在於，在包括用於產生多個光脈衝的雷射光源的光學系統中，在脈衝系列或光脈衝序列內的兩個連續光脈衝之間存在的時間週期不是以傳統方式選擇為恒定的，而是變化的，其目的首先是實現散斑對比度的降低（從而提高光學系統的重疊性能），其次是使得有可能增加雷射光源的重複率（從而增加光學系統操作期間的產量），同時避免激發不期望的(腔體)共振。

首先參考圖1，在第一實施例中，雷射光源發射的兩個連續光脈衝之間的時間週期可以在光脈衝序列上隨機變化。在這種情況下，可以預定義下限值和上限值，特別是在其中可以進行這種隨機變化。垂直虛線表示等距線以供說明。

在根據圖2的第二實施例中，雷射光源發射的兩個連續光脈衝之間的時間週期也可以在光脈衝序列上連續增加或連續減少，在這種情況下，可以再次預定義下限值和上限值。

在根據圖3的第三實施例中，也可以以有針對性的方式確定適於避免不期望的腔體共振的脈衝系列，然後預定義用於雷射光源的進一步操作。

根據圖3，首先在這裡確定當前產生的脈衝系列310（作為雷射輸出功率的時間輪廓）用於雷射光源的具體配置。然後根據快速傅立葉轉換（FFT）確定用於該脈衝系列310的幅度譜320。此外，確定作為雷射重複率的函數的雷射光源的所得雷射頻寬，示例性輪廓同樣由圖3中的“330”示出和指示。在這個雷射頻寬的輪廓330中，然後識別發生的共振和相關聯的頻帶（例如由圖3中的“331”、“332”來指示）。在此基礎上，根據快速傅立葉轉換（FFT）確定適合於消除這些共振331、332的“優化”幅度譜320，所述幅度譜由“340”指示。作為雷射重複率的函數的雷射光源的所得雷射頻寬由“350”指定。由此然後確定以有針對性的方式（對應於雷射輸出功率的時間輪廓）修改的脈衝系列360，其中在本場景中，根據圖3並且僅僅通過示例的方式將光脈衝的時間位置從“361”移至“362”。

圖4僅在示意圖中顯示可以實現本發明的準分子雷射裝置的形式的氣體放電雷射系統的原理上可能的設置。

根據圖4的氣體放電雷射系統特別包括種子雷射裝置410、中繼光學單元420、放大級430和雷射輸出子系統440。

種子雷射裝置410特別包括線寬縮小模組411、主振盪器腔室（MO=主振盪器腔室）412、主振盪器輸出耦合單元（MO OC=“主振盪器輸出耦合器(master oscillator output coupler)”）413和線中心分析模組414。

中繼光學單元420尤其具有使種子雷射裝置410的輸出信號相對於放大級430適配或對準的效果，並且可以特別包括具有合適的稜鏡佈置和合適的光學遲滯路徑的光束擴展單元。

放大級430特別包括具有雷射介質的腔室432、光束反轉模組431和用於連接部分雷射光束的單元433。

雷射輸出子系統440特別包括頻寬分析模組441、光脈衝展寬器442和另外的模組443。光脈衝展寬器442用於將雷射光源產生的光脈衝的脈衝長度拉伸至(100-450) ns的數量級的較長持續時間，例如，通過藉助迴圈路徑使電磁輻射偏轉，以避免下游光學部件的退化。另外的模組443首先用於限定輸出雷射輻射（例如關於偏振程度、近場或遠場特性、坡印廷向量（Poynting vector）等）。根據本發明，該模組443的功能現在擴展成使得，模組443還被設計用於測量散斑對比度。此外，根據本發明，模組443還可被設計用於測量光脈衝的持續時間。

基於由模組443提供的（感測器）信號，根據本發明，現在可以使光脈衝展寬器442失調以實現所尋求的散斑對比度的減少。

圖5僅示意性地示出用於闡明對應閉環控制概念的框圖。在這種情況下，在圖5中，光脈衝展寬器由“510”指示，並且另外的模組由“520”指示。在模組520提供的感測器信號的基礎上，閉環控制單元530控制致動器540，從而導致適於減少散斑對比度的光脈衝展寬器510的上述失調。例如，光脈衝展寬器510中的一個或多個反射鏡可以通過致動器540進行機械調整。

本發明不限於光脈衝展寬器的上述控制或失調，以實現所需的散斑對比度降低。在進一步的實施例中，基於由頻寬分析模組441或由線中心分析模組414提供的（感測器）信號，用於觸發氣體排放的觸發信號的生成也可以被暫時控制，使得例如所述觸發信號可以在幾奈秒(ns)或微秒(μs)之前或之後產生。

圖6示出了設計用於在DUV中操作的微影投影曝光設備600的原理上可能的設置。

根據圖6的投影曝光設備600包括照明裝置610和投影鏡頭620。照明裝置610用於用來自光源單元605的光照射承載結構的光罩（倍縮光罩）615，光源單元605包括雷射光源以及產生平行光束的光束成形光學單元，雷射光源例如以ArF準分子雷射裝置的形式用於193 nm的工作波長(或者以KrF準分子雷射裝置的形式用於248 nm的工作波長)。在這種情況下，可以根據本發明的方式設計雷射光源。

照明裝置610包括光學單元611，該光學單元尤其還包括所示示例中的偏轉鏡612。光學單元611可包括例如繞射光學元件(DOE)和用於產生不同照明設置（即照明裝置610的光瞳平面中的強度分佈）的變焦軸錐系統。在光傳播方向上的光學單元611的下游，光混合裝置(未示出)以及透鏡元件組613位於光束路徑中，光混合裝置以例如本身已知的方式可包括適合實現光混合的微光學元件的佈置，透鏡元件組613下游設置有帶有倍縮光罩遮蔽系統的場平面，該場平面由在光傳播方向上的下游設置的鏡頭614成像到佈置在另一個場平面中的結構承載光罩（倍縮光罩）615上，從而界定倍縮光罩上的照明區域。結構承載光罩615由投影鏡頭620成像到設置有光敏層(光阻劑)的基底或晶圓630上。特別地，投影鏡頭620可被設計用於浸潤操作，在這種情況下，浸潤介質相對於光傳播方向位於晶圓或其光敏層的上游。此外，它可以具有例如大於0.85的數值孔徑NA，特別是大於1.1。

儘管已經在具體實施例的基礎上描述了本發明，但對於本技術領域具通常知識者來說，例如通過個別實施例的特徵的組合及/或交換，許多變型和替代實施例將是顯而易見的。因此，對於本技術領域具通常知識者來說，這樣的變化和替代實施例伴隨地被本發明所包含，並且本發明的範圍僅被限制在所附專利請求項及其等同物的含義內。

310:脈衝系列 320:幅度譜 330:雷射頻寬的輪廓 331、332:共振 340:幅度譜 350:雷射頻寬 360:修改的脈衝系列 361、362:光脈衝的時間位置 410:種子雷射裝置 411:線寬縮小模組 412:主振盪器腔室 413:主振盪器輸出耦合單元 414:線中心分析模組 420:中繼光學單元 430:放大級 431:光束反轉模組 432:腔室 433:連接部分雷射光束的單元 440:雷射輸出子系統 441:頻寬分析模組 442:光脈衝展寬器 443:另外的模組 510:光脈衝展寬器 520:另外的模組 530:閉環控制單元 540:致動器 600:微影投影曝光設備 605:光源單元 610:照明裝置 611:光學單元 612:偏轉鏡 613:透鏡元件組 614:鏡頭 615:光罩 620:投影鏡頭 630:晶圓

在附圖中：

圖1示出了用於說明根據本發明的在根據第一實施例的光學系統中連續光脈衝之間存在的時間週期的變化的圖；

圖2示出了用於說明根據本發明的在根據第二實施例的光學系統中連續光脈衝之間存在的時間週期的變化的圖；

圖3示出了用於說明根據本發明的在根據第三實施例的光學系統中連續光脈衝之間存在的時間週期的變化的圖；

圖4示出了用於說明根據本發明的光學系統的可能設置的示意圖；

圖5示出了用於進一步說明根據本發明的光學系統的可能功能的框圖；以及

圖6示出了用於說明設計用於在DUV中操作的微影投影曝光設備的可能設置的示意圖。

Claims (17)

1. 一種光學系統，包括：一雷射光源，用於產生多個光脈衝；以及一控制單元，被配置為將所述雷射光源控制成使得，對於由所述雷射光源產生的光脈衝序列，各連續光脈衝之間存在的時間週期在所述光脈衝序列上變化，其特徵在於，所述光學系統還包括第一測量單元，用於測量表徵由所述雷射光源產生的光的散斑對比度的變數，其中所述控制單元被配置為根據所述第一測量單元的輸出信號而改變所述光脈衝的時間脈衝系列；及/或所述光學系統還包括第二測量單元，用於測量表徵由所述雷射光源產生的光的頻寬的變數，其中所述控制單元被配置為根據所述第二測量單元的輸出信號而改變所述光脈衝的時間脈衝系列。
2. 根據請求項1所述之光學系統，其特徵在於，所述控制單元被配置為控制至少一致動器，以用於操縱所述雷射光源的至少一光學部件的位置。
3. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述光學系統包括具有多個反射鏡的光脈衝展寬器。
4. 根據請求項2所述之光學系統，其特徵在於，所述光學系統包括具有複數反射鏡的一光脈衝展寬器，其中所述光學部件是所述光脈衝展寬器的該反射鏡。
5. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述控制單元被配置成可變地調整觸發信號的時間延遲，所述觸發信號被生成用於觸發饋送到所述雷射光源的雷射介質中的能量。
6. 根據請求項1或2所述的光學系統，其特徵在於，所述控制單元包括亂數產生器，用於每兩個連續光脈衝之間存在的時間週期的隨機變化。
7. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述控制單元被配置為使在預定義的下限值與預定義的上限值之間的每兩個連續光脈衝之間存在的時間週期連續增加或連續減少。
8. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述雷射光源被設計用於產生重複率至少為7kHz的光脈衝。
9. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述光學系統被設計用於小於250nm的操作波長。
10. 根據請求項1或2所述之光學系統，其特徵在於，所述光學系統為用於微影製程的光學系統。
11. 一種操作光學系統之方法，特別是用於微影的光學系統，其中，所述光學系統包括用於生成多個光脈衝的雷射光源，並且其中所述雷射光源被控制成使得，對於由所述雷射光源生成的光脈衝序列，各連續光脈衝之間存在的時間週期在所述光脈衝序列上變化，其特徵在於， 該變化是在測量表徵所述雷射光源產生的光的散斑對比度的變數的基礎上進行調整的；及/或所述變化是在所述雷射光源產生的至少一個光脈衝的相應頻寬的測量的基礎上進行調整的。
12. 根據請求項11所述之方法，其特徵在於，所述變化被調整為使得，與在沒有這種變化的情況下產生的平均頻寬相比，由所述雷射光源產生的所述光脈衝的平均頻寬降低。
13. 根據請求項11或12所述之方法，其特徵在於，所述變化被調整成使得，與在沒有這種變化的情況下產生的平均頻寬差相比，連續光脈衝之間的平均頻寬差減少。
14. 根據請求項11或12所述之方法，其特徵在於，該變化至少部分地通過操縱所述雷射光源的至少一個光學部件的位置。
15. 根據請求項11或12所述之方法，其特徵在於，該變化至少部分地通過操縱光脈衝展寬器的至少一個反射鏡的位置。
16. 根據請求項11或12所述之方法，其特徵在於，該變化至少部分地通過可變地調整觸發信號的時間延遲來實現，所述觸發信號被生成用於觸發饋送到所述雷射光源的雷射介質中的能量。
17. 根據請求項11或12所述之方法，其特徵在於，所述光學系統為用於微影製程的光學系統。