CN105589300A - 一种光刻照明*** - Google Patents

Abstract

一种光刻照明***，包括光源，以及沿该光源的出射光方向依次放置扩束镜组、衍射光学元件等，还包括散射板，该散射板放置在所述的微透镜阵列的前方或后方，所述散射板的输出光束在扫描方向上的角分布满足高斯分布，所述散射板由单面或双面的一维柱面镜阵列构成，该一维柱面镜阵列是由不同口径p_LS,n的柱面镜组成，该柱面镜中的口径p_LS,n和柱面镜焦距f_T的比值满足特定的条件。本发明实现均匀化分布和高斯分布的器件分离，有利于实现非扫描方向上的高均匀性，采用微透镜阵列实现均匀光场分布，再利用散射板实现高斯光场分布，最终在聚光镜组后焦面的扫描方向上实现超高斯光场分布，通过设计不同的散射板能有效控制超高斯光强分布轮廓。

Description

一种光刻照明***

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种用于紫外/深紫外光刻机的离轴照明***。

背景技术

随着大规模集成电路的发展，光刻成像的分辨率要求越来越高，对光刻机照明***的要求也越来越高。主流先进光刻机目前主要采用步进扫描方式实现曝光。其中，对于特征尺寸小于等于45nm的光刻机，照明***在扫描方向上应形成一种超高斯的光强分布，而在非扫描方向上形成均匀照明。其目的是在扫描的过程中尽可能小地避免激光器的脉冲能量抖动带来的扫描区域的曝光剂量误差，从而保证光刻线条宽度的均匀性。

目前的光刻机照明***中，在掩模面上实现扫描方向超高斯光强分布的方法主要采用离焦方法，但是离焦方法很难实现准确的超高斯分布，通常仅能得到梯形分布或者三角形分布来近似超高斯分布。在先技术“一种光刻照明***”(中国发明专利，公开号：CN100559277C)中，公开了一种光刻照明***，利用具有像散的微透镜阵列模块实现梯形照明，该微透镜阵列模块包含两个微透镜阵列和两对刀口阵列。该方法利用了微透镜阵列的像差实现梯形照明，问题在于具有像差的微透镜阵列会影响非扫描方向的照明均匀性，所以对于特征尺寸小于45nm的光刻机将无法采用这个方案实现梯形照明，并且这个方案也无法实现超高斯的光强分布。在先技术“一种用于深紫外光刻照明***的chirp式复眼匀光单元”(中国发明专利，公开号：CN201410160658)中，公开了一种利用chirp(啁啾)结构的微透镜阵列实现均匀照明的方法，该方法能够减弱干涉散斑对照明面光强分布均匀性的影响，但是微透镜阵列的加工过于复杂，并且由于有较大微透镜单元的存在，所以实际中无法得到较好的均匀性，该方案也不能在扫描方向上得到超高斯光强分布。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种用于紫外/深紫外光刻机的照明***，该照明***通过引入一个散射板，对从微透镜出射的光进行调制，并经过聚光镜组的傅里叶变换作用在聚光镜组的后焦面扫描方向上产生超高斯光强分布。该方法有利于克服含像差微透镜阵列无法在非扫描方向得到较高照明均匀性的问题，并且该散射板可以通过成熟的激光直写曝光工艺进行加工，可有效降低光刻机的生产成本。适用于任何紫外/深紫外光波段光刻照明***。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻照明***，包括光源，以及沿该光源的出射光方向依次放置扩束镜组、衍射光学元件、变焦准直镜组、微透镜阵列、聚光镜组、扫描狭缝、照明镜组和掩模板，其特点在于，还包括散射板，该散射板放置在所述的微透镜阵列的前方或后方，所述散射板的输出光束在扫描方向上的角分布满足高斯分布，所述散射板的高斯角分布是由不同口径或者曲率半径的一维柱面镜阵列分别产生的角分布在远场叠加形成，所述散射板由单面或双面的一维柱面镜阵列构成，该一维柱面镜阵列是由不同口径p_LS,n的柱面镜组成，该柱面镜中的口径p_LS,n和柱面镜焦距f_T的比值，满足以下条件：

$\frac{p_{LS,n}}{f_T}=\frac{d_{T,n}}{f_F}---\left(4\right)$

其中，f_F是所述聚光镜组的焦距，d_T，n为每个小矩形分布的宽度，n为用n组等高的矩形分布进行叠加而成高斯分布。

所述的扫描狭缝具有四片可动的刀片，且位于所述聚光镜组的后焦面上，通过刀片的移动实现对光场的切割。

所述的照明镜组用于将通过所述扫描狭缝的光场投影到所述掩模板上，实现对掩模板的照明。

所述散射板在所述聚光镜组后焦面的扫描方向上形成的高斯光强分布为

$Gauss\left(y\right)=\exp \left(\frac{-y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)---\left(1\right)$

其中，σ为高斯光强分布的束腰半径，y为扫描方向上的坐标点。

所述微透镜阵列在所述聚光镜组后焦面的扫描方向上的输出光场按照平顶分布表示为：

Rect(y)＝const(|y|＜a)(2)

其中，a表示平顶分布的顶部半宽。

在所述聚光镜组后焦面的扫描方向上产生的超高斯光强分布是所述散射板与所述微透镜阵列分别在所述聚光镜组后焦面的扫描方向上产生的高斯光强分布Gauss(y)和平顶光强分布Rect(y)的卷积，可以通过公式表示为：

$I\left(y\right)=\mathrm{Re}ct\left(y\right)*Gauss\left(y\right)={\∫}_{-a}^a\exp \left(\frac{-{(y-\mathrm{\τ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)d\mathrm{\τ}---\left(3\right)$

所述散射板中不同口径与焦距比值的柱面镜的排列顺序可以为随机的，也可以按照所设计的顺序排列。所述散射板中相同口径与焦距比值的柱面镜的口径p_LS相同、焦距f_T不同，也可为口径p_LS不同、焦距f_T相同，也可为口径p_LS和焦距f_T均不同(完全不相同或不完全相同)。

所述散射板的一面是平面，另一面是柱面镜阵列；所述散射板也可以是两面都是微柱面镜阵列。所述散射板中柱面镜可以是凸面镜，也可以是凹面镜。

所述光源的波长可以是157nm、193nm、248nm。

所述扩束镜组将所述光源发射的激光光束的尺寸按设计的放大倍数放大。

所述衍射光学元件是具有一定微结构的光学元件，用于和所述变焦准直镜组共同得到光刻机光瞳面上所需的照明模式，所述衍射光学元件的设计方法参见公开号为CN102109676B的中国发明专利。

所述变焦准直镜组的设计方法已经被该领域的研究人员熟知。

所述微透镜阵列的设计方法参见公开号为CN103217872A的中国发明专利，所述微透镜阵列位于所述聚光镜组的前焦面上。

所述散射板位于所述微透镜阵列的前方或后方。

所述聚光镜组将透过所述微透镜阵列和所述散射板后的光束进行会聚，并在所述聚光镜组后焦面的扫描方向上产生超高斯光强分布。

与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：

(1)本发明采用微透镜阵列和散射板来形成光刻机照明***中扫描方向上需要的超高斯光场分布，与传统的含像差的微透镜阵列相比，该方法将实现均匀化分布和高斯分布的器件分离，有利于实现非扫描方向上的高均匀性。

(2)本发明采用微透镜阵列实现均匀光场分布，再利用散射板实现高斯光场分布，最终在聚光镜组后焦面的扫描方向上实现超高斯光场分布，通过设计不同的散射板能有效控制超高斯光强分布轮廓。

(3)本发明中的散射板可以采用激光直写曝光技术进行加工，有利于降低光刻机照明***的制造成本。

附图说明

图1是本发明的两种光刻照明***的结构框图之一。

图2是本发明的两种光刻照明***的结构框图之二。

图3是微透镜阵列、散射板和聚光镜组组合的一种用于在聚光镜组后焦面的扫描方向上产生超高斯光强分布的光路结构示意图。

图4是一种利用等高矩形分布逼近高斯分布的原理图。

图5是散射板中柱面镜阵列的光学结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1和图2是本发明的两种光刻照明***的结构框图。光刻照明***由光源101、扩束镜组102、衍射光学元件103、变焦准直镜组104、微透镜阵列105、散射板106、聚光镜组107、扫描狭缝108、照明镜组109和掩模板110组成。所述散射板106是光刻照明***中用于产生扫描方向上超高斯光强分布的关键元件。所述散射板106可以位于所述微透镜阵列105之前(图1)，也可以位于所述微透镜阵列105之后(图2)。

所述光源101的波长可以是157nm、193nm、248nm。

所述扩束镜组102将所述光源101发射激光光束的尺寸按设计的放大倍数放大。

所述衍射光学元件103是具有一定微结构的光学器件，用于和所述变焦准直镜组104共同得到光刻机光瞳面上的照明模式，所述衍射光学元件103的设计方法参见公开号为CN102109676B的中国发明专利。

所述变焦准直镜组104的设计方法已经被该领域的研究人员熟知。

所述微透镜阵列105的设计方法参见公开号为CN103217872A的中国发明专利，所述的微透镜阵列105位于所述的聚光镜组104的前焦面上。

所述散射板位106于所述微透镜阵列105的前方或后方。

所述聚光镜组107将透过所述微透镜阵列105和所述散射板106后的光束进行会聚，并在所述聚光镜组107的后焦面上产生沿扫描方向的超高斯分布和沿非扫描方向均匀分布的光场。

所述扫描狭缝108具有四片可动的刀片，四个刀片位于所述聚光镜组107的后焦面上，通过刀片的移动实现对光场的切割。

所述照明镜组109用于将通过所述扫描狭缝108的光场投影到所述掩模板110上，实现对掩模板的照明。

所述散射板106可位于微透镜阵列105和聚光镜组107之间，也可位于所述变焦准直镜组104和所述微透镜阵列105之间。图3是所述微透镜阵列105、所述散射板106和所述聚光镜组107组合成的一种用于在扫描方向上产生超高斯光强分布的光路结构示意图，图3中所述散射板106位于微透镜阵列105和聚光镜组107之间。所述散射板106的输出光束在扫描方向上的角分布满足高斯分布，所述散射板106的高斯角分布是由不同口径或者曲率半径的一维柱面镜阵列分别产生的角分布在远场叠加形成，所述散射板106由单面或双面的一维柱面镜阵列构成。

依据傅立叶光学的基本原理，在所述聚光镜组107的后焦面上的光强分布是所述微透镜阵列105与所述散射板106分别在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上形成光强分布的卷积，即

$I\left(y\right)=\mathrm{Re}ct\left(y\right)*Gauss\left(y\right)={\∫}_{-a}^a\exp \left(\frac{-{(y-\mathrm{\τ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)d\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中，y代表扫描方向方向上的坐标点，σ是所述散射板106在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上输出的高斯光强分布Gauss(y)的束腰半径，a是所述微透镜阵列105在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上输出的平顶光强分布Rect(y)的顶部半宽。

所述散射板106在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上输出的高斯光强分布Gauss(y)为

$Gauss\left(y\right)=\exp \left(\frac{-y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)---\left(2\right)$

所述微透镜阵列105在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上输出的平顶光强分布Rect(y)为

Rect(y)＝const(|y|＜a)(3)

所述散射板106由单面或双面的一维柱面镜阵列构成，如图4所示，所述散射板106中柱面镜可以是凸的也可以是凹的。

所述散射板106的设计方法是先将其在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上形成的高斯分布用n组等高的矩形分布进行逼近，如图5所示，得到每个小矩形分布的宽度d_T，n；然后用下式(4)计算得到所述散射板106n个柱面镜中的口径p_LS,n和焦距f_T的比值：

$\frac{p_{LS,n}}{f_T}=\frac{d_{T,n}}{f_F}---\left(4\right)$

其中，f_F是所述聚光镜组107的焦距。所述散射板106中不同口径p_LS,n与焦距f_T比值的柱面镜的排列顺序可以为随机的，也可以按照所设计的顺序排列。所述散射板106中相同口径p_LS,n与焦距f_T比值的柱面镜的口径p_LS,n相同、焦距f_T不同，也可为口径p_LS,n不同、焦距f_T相同，也可为口径p_LS,n和焦距f_T均不同(完全不相同或不完全相同)。

下面通过一个具体实施例，进一步说明本发明光刻照明***的工作原理。

具体实施例

实施例中，光刻照明***的光路图如图1所示。所述光源101发射波长为193nm的脉冲激光，光斑尺寸为3×3mm，入射到衍射光源元件103上的光束尺寸要求为12×12mm，则所述扩束镜组102的放大倍数为4。

所述衍射光学元件103的出射孔径半角为25mrad，所述衍射光学元件103产生的照明模式为传统照明，所述变焦准直镜组104的焦距为200mm，则入射到所述微透镜阵列105上的光为直径为10mm圆形光斑。

所述聚光镜组107的焦距f_F为200mm，在未加所述散射板106之前，所述微透镜阵列105与所述聚光镜组107在所述聚光镜组107的后焦面上的得到的方形均匀光斑为100×10mm(非扫描方向×扫描方向)，则a值为5mm。所述散射板106与所述聚光镜组107在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上形成的高斯分布的束腰半径σ为2.5mm，所述散射板106置于微透镜阵列105之后，所述微透镜阵列105、所述散射板106与所述聚光镜组107在所述聚光镜组107后焦面上的扫描方向上的得到超高斯分布。

所述散射板106采用单面一维柱面镜阵列构成，所述散射板106中的柱面镜阵列的曲率分布在扫描方向，将所述散射板106与所述聚光镜组107在所述聚光镜组107后焦面的扫描方向上形成的高斯分布用10个等高矩形逼近，得到10个小矩形分布的宽度d_T分别为12.9mm、10.8mm、9.3mm、8.1mm、7.1mm、6.1mm、5.1mm、2.8mm和0.6mm，所述散射板106中所有柱面镜的焦距均为1.5mm，由公式(4)计算可得10个柱面镜口径分别为96.6μm、80.7μm、69.9μm、60.9μm、53.0μm、45.5μm、38.0μm、30.0μm、20.7μm和4.5μm，将这10个柱面镜作为一个周期排布到所述散射板106中，每个周期中的10个柱面镜的排列顺序可以不同，所述微透镜阵列105、所述散射板106与所述聚光镜组107在所述聚光镜组107的后焦面的扫描方向上得到的超高斯分布的半高全宽约为10.4mm。

所述扫描狭缝108的具有四片可动刀片，四片可动刀片位于聚光镜组107的后焦面上，所述的照明镜组109将扫描狭缝108处的照明光场投影到掩模板110上，实现对掩模板110的照明。

Claims (3)

1.一种光刻照明***，包括光源(101)，以及沿该光源(101)的出射光方向依次放置扩束镜组(102)、衍射光学元件(103)、变焦准直镜组(104)、微透镜阵列(105)、聚光镜组(107)、扫描狭缝(108)、照明镜组(109)和掩模板(110)，其特征在于，还包括散射板(106)，该散射板(106)放置在所述的微透镜阵列(105)的前方或后方，所述散射板的输出光束在扫描方向上的角分布满足高斯分布，所述散射板的高斯角分布是由不同口径或者曲率半径的一维柱面镜阵列分别产生的角分布在远场叠加形成，所述散射板由单面或双面的一维柱面镜阵列构成，该一维柱面镜阵列是由不同口径p_LS,n的柱面镜组成，该柱面镜中的口径p_LS,n和柱面镜焦距f_T的比值，满足以下条件：

$\frac{p_{LS,n}}{f_T}=\frac{d_{T,n}}{f_F}---\left(4\right)$

其中，f_F是所述聚光镜组的焦距，d_T,n为每个小矩形分布的宽度，n为用n组等高的矩形分布进行叠加而成高斯分布。

2.根据权利要求1所述的光刻照明***，其特征在于，所述的扫描狭缝(108)具有四片可动的刀片，且位于所述聚光镜组(107)的后焦面上，通过刀片的移动实现对光场的切割。

3.根据权利要求1所述的光刻照明***，其特征在于，所述的照明镜组(109)用于将通过所述扫描狭缝(108)的光场投影到所述掩模板(110)上，实现对掩模板的照明。