CN110568727B - 一种曝光***、曝光方法和光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体投影光刻技术领域的曝光***、曝光方法和光刻机，包括照明单元、掩模版、投影物镜单元、基底和至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近或者远离所述照明单元中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近或者远离所述投影物镜单元中的光阑的位置处，所述照明单元提供的照明光束依次入射所述掩模版、所述投影物镜单元和所述基底后，将所述掩模版上的图形成像到所述基底上。所述曝光***、曝光方法和光刻机可有效矫正曝光***的像差，从而改善成像质量。

Description

一种曝光***、曝光方法和光刻机

技术领域

本发明涉及半导体投影光刻技术领域，特别涉及一种曝光***、曝光方法和光刻机。

背景技术

在半导体投影光刻技术领域，光学性能矫正是改善投影曝光***的成像质量的关键。

在传统的半导体投影光刻技术领域中，投影曝光***的光学性能矫正通常通过调整光学镜片的曲率、厚度、材料折射率和色散等变量实现。例如，采用由高折射率的材料制成的镜片矫正像差。在半导体投影光刻技术领域，高折射率材料是指折射率N_i>1.57的材料。常见的高折射率材料有两种：第一种材料的折射率N_i>1.57，10mm材料透过率τ₁₀>0.997，其不仅具有较高的折射率还具有较高的透过率，可作为常用的高折射率材料；第二种材料的折射率N_i>1.61，由于其较第一种材料具有更高的折射率，其校正色差的作用较第一种材料更优，但是其10mm材料透过率τ₁₀<0.995，其较低的透过率容易引起较大的热效应，因此在实际应用中应视情况不同而采用。

2004年10月19日公开的美国专利US6806942B2提供了一种投影曝光***，这种投影曝光***通过选择适当的高折射率材料和低折射率材料，并将这些高折射率材料和低折射率材料合理匹配，从而很好的校正了色差。所述投影曝光***提出了一种三凸双腰结构投影物镜，其中三个凸起具有正光焦度，两个腰部具有负光焦度。整个投影曝光***具有较好的成像质量。但是，所述投影曝光***没有考虑到高折射率的透镜一般会具有较低的能量透过率，尤其是对于那些口径较小，厚度较大的透镜。在高强度的光照过程中，一方面这些高折射率的透镜的表面会因为透镜吸收光能而发生热变形，从而影响投影物镜的成像质量，进而影响整个投影曝光***的曝光性能。另一方面，这些高折射率的透镜对能量的吸收过高，会使透镜内部产生温度梯度变化，从而使这些透镜的折射率也随之发生变化，进而影响投影物镜的成像质量。

具体的，在美国专利US6806942的说明书附图中，图中阴影部分为高折射率材料。所述投影曝光***为了校正色差，在投影物镜中采用了大量的高折射率材料，尤其是在投影物镜的透镜组组中，第一片透镜和第三片透镜均采用了上述折射率N_i>1.61但透过率较低的第二种材料。虽然校正了投影曝光***的色差，获得了较宽的光谱使用范围，但是透镜组的位置离掩模面最近，且透镜组的口径比较小，入射能量比较集中，透镜组中透过率较低的透镜会吸收较多的能量，透镜的表面变形较严重。此外，在矩形视场条件下，透过透镜组的光束的形状近似于矩形，若照明条件为非旋转对称式，透镜组对能量的吸收也将会是非旋转对称的，这样透镜组中的第一片和第三片透镜在长时间曝光过程中，会由于吸收能量而产生非对称式形变，从而严重影响曝光***的像质。

随着半导体投影光刻技术的不断发展，以及超精密的计算机数控加工设备在半导体投影光刻技术领域的应用，非球面技术也逐渐应用到半导体投影光刻技术领域中，但是非球面技术应用于投影曝光***中并不能校正色差，因此曝光***的成像质量还有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曝光***、曝光方法和光刻机，以解决现有的曝光***、曝光方法和光刻机成像质量差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种曝光***，包括照明单元、掩模版、投影物镜单元、基底和至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近所述照明单元中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近所述投影物镜单元中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中远离所述照明单元中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离所述投影物镜单元中的光阑的位置处，所述照明单元用于提供照明光束，所述照明光束依次入射所述掩模版、所述投影物镜单元和所述基底后，将所述掩模版上的图形成像到所述基底上。

可选的，靠近所述照明单元和/或所述投影物镜单元的光阑处设置的所述衍射光学元件，设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子σ接近1的位置处。

可选的，所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.7≤σ<1的位置处。

可选的，至少一个所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中离所述光阑最近的透镜上，且所述衍射光学元件设置于所述透镜上面向所述光阑的一面上。

可选的，远离所述照明单元和/或所述投影物镜单元的光阑处设置的所述衍射光学元件，设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.2≤σ≤0.7的位置处。

可选的，所述衍射光学元件的数量为一个，所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近光阑的位置处。

可选的，所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.7≤σ<1的位置处。

可选的，所述衍射光学元件的数量为两个，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近光阑的位置处，另一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离光阑的位置处。

可选的，设置在所述投影物镜单元中靠近光阑的位置处的所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.7≤σ<1的位置处；设置在所述投影物镜单元中远离光阑的位置处的所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.2≤σ0.7的位置处。

可选的，所述衍射光学元件的数量为三个，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近光阑的位置处，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离光阑的位置处，另一个所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近光阑的位置处。

本发明还提供一种上述的曝光***的曝光方法，所述曝光***包括照明单元、掩模版、投影物镜单元、基底、至少一个衍射光学元件，所述曝光方法包括：将至少一个用于矫正所述曝光***的像差的所述衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，并使部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近所述照明单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近所述投影物镜单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中远离所述照明单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离所述投影物镜单元中的光阑的位置处；所述照明单元提供照明光束；所述照明光束依次入射所述掩模版、所述投影物镜单元和所述基底后，将所述掩模版上的图形成像到所述基底上。

本发明还提供一种光刻机，包括上述的曝光***。

本发明提供的曝光***、曝光方法和光刻机，具有以下有益效果：

通过在投影物镜单元和/或照明单元中设置衍射光学元件，并使衍射光学元件设置在靠近光阑位置处，可有效矫正曝光***的像差，特别是其中的色差，进而增加曝光***的光学设计变量，从而改善曝光***的成像质量；或者，通过在投影物镜单元和/或照明单元中设置衍射光学元件，并使衍射光学元件设置在远离光阑位置处，可有效矫正曝光***的像差，特别是其中的像散，进而增加曝光***的光学设计变量，从而改善曝光***的成像质量。

附图说明

图1是本发明一种实施例中的曝光***的结构示意图；

图2是本发明一种实施例中应用于半导体投影光刻领域的紫外光学材料和衍射光学元件的色散和相对部分色散图；

图3是本发明一种实施例中的衍射光学元件设置在照明单元中的曝光***的结构示意图；

图4是本发明一种实施例中的中继镜头的光学结构示意图；

图5为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图；

图6为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图；

图7为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图；

图8为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图；

图9为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图；

图10为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图；

图11为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的弥散斑示意图；

图12为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的弥散斑示意图；

图13为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的相位示意图；

图14为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的矢高示意图；

图15为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的衍射效率示意图；

图17是本发明一种实施例中投影物镜单元的光学结构示意图；

图18为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图；

图19为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图；

图20为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图；

图21为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图；

图22为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图；

图23为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的畸变示意图；

图24为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差和视场中心点的轴向色差示意图；

图25为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的近轴色差和视场中心点的轴向色差示意图；

图26为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的泽尼克(Zernike)像差像散Z5场内分布示意图；

图27为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的泽尼克(Zernike)像差像散Z5场内分布示意图；

图28为本实施例中设置在表面序号1上的第二衍射光学元件的相位示意图；

图29为本实施例中设置在表面序号1上的第二衍射光学元件的矢高示意图；

图30为本实施例中设置在表面序号22上的第二衍射光学元件的相位示意图；

图31为本实施例中设置在表面序号22上的第二衍射光学元件的矢高示意图；

图32为本实施例中第一衍射光学元件和第二衍射光学元件的衍射效率示意图。

图1中的附图标记说明：

010-照明单元；020-掩模版020；030-投影物镜单元；040-硅片；050-衍射光学元件。

图3中的附图标记说明：

110-照明单元；120-投影物镜单元；130-移动掩模台；140-掩模版；150-工件台；160-硅片；170-衍射光学元件；像平面P。

图16中的附图标记说明：

210-照明单元；220-投影物镜单元；230-移动掩模台；240-掩模版；250-工件台；260-硅片；271-第一衍射光学元件；272-第二衍射光学元件；像平面M。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的曝光***、曝光方法和光刻机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例提供一种曝光***。参考图1，图1是本发明一种实施例中的曝光***的结构示意图。所述曝光***包括照明单元010、掩模版020、投影物镜单元030、硅片040和至少一个衍射光学元件050。其中，所述照明单元010用于提供照明光束，所述照明光束依次入射掩模版020、投影物镜单元030和硅片040后，将所述掩模版020上的图形成像到硅片040上。所述衍射光学元件050设置在所述照明单元010和/或所述投影物镜单元030中。部分所述衍射光学元件050设置在所述照明单元010中靠近照明单元010中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件050设置在所述投影物镜单元030中靠近投影物镜单元030中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件050设置在所述照明单元010中远离照明单元010中的光阑的位置处，和/或部分所述衍射光学元件050设置在所述投影物镜单元030中远离投影物镜单元030中的光阑的位置处。所述照明光束穿过全部所述衍射光学元件050。

即可以是仅所述照明单元010中设置有衍射光学元件050，其中衍射光学元件050可仅设置在靠近照明单元010的光阑的位置处，或者仅设置在远离照明单元010的光阑的位置处，或者在靠近照明单元010的光阑的位置处和远离照明单元010的光阑的位置处均设置有衍射光学元件050；还可以是仅所述投影物镜单元030中设置有衍射光学元件050，其中衍射光学元件050可仅设置在靠近投影物镜单元030的光阑的位置处，或者仅设置在远离投影物镜单元030的光阑的位置处，或者在靠近投影物镜单元030的光阑的位置处和远离投影物镜单元030的光阑的位置处均设置有衍射光学元件050；也可以是在所述投影物镜单元030和所述述照明单元010中均设置有衍射光学元件050，其中，衍射光学元件050在投影物镜单元030中的设置情况可以是仅设置在靠近照明单元010的光阑的位置处，或者仅设置在远离照明单元010的光阑的位置处，或者在靠近照明单元010的光阑的位置处和远离照明单元010的光阑的位置处均设置有衍射光学元件050，衍射光学元件050在照明单元010中的设置情况可以是仅设置在靠近照明单元010的光阑的位置处，或者仅设置在远离照明单元010的光阑的位置处，或者在靠近照明单元010的光阑的位置处和远离照明单元010的光阑的位置处均设置有衍射光学元件050。

曝光***的色差矫正一般是通过将特定的光学元件放置于曝光***中的照明单元或者投影物镜单元中实现的。具体的，可将这些特定的光学元件放置在照明单元和/或投影物镜单元中的正负透镜组上。这些特定的光学元件通常包括具有色散性能的材料。这些特定的光学元件可包括图2中紫外光学材料，其中图2是本发明一种实施例中应用于半导体投影光刻领域的紫外光学材料和衍射光学元件的色散和相对部分色散图。由于这些特定的光学元件和曝光***中的其它元件之间的相互作用，可矫正曝光***的像差。但曝光***的像差矫正效果并不理想，尤其是不能进行二级光谱矫正。

衍射光学元件(DOE)由于具有独特的成像性能，尤其是具有特殊的色散性质。衍射光学元件在本质上是一种变周期光栅，其对光的不同成分有分光作用，与普通透镜相比表现出强烈的色散性质。这种色散性质是由衍射光学元件的工作波段决定的，与衍射光学元件的基底材料无关。由光学玻璃色散的定义，可得倒衍射光学元件色散的表达式：

其中：v为色散，p为相对部分色散，λ_m为中心波长，λ_L为长波长，λ_s为短波长。

所以当衍射光学元件的工作波段为D，F，C谱线时，可以算出v＝-3.46，p＝0.6063。

由上述衍射光学元件(DOE)的v和p的计算公式可见，衍射光学元件(DOE)可以等效为一种特殊的光学材料，这种特殊的光学材料的v＝-3.46，p＝0.6063。

参考图2，衍射光学元件(DOE)的横坐标色散为负数，其它的紫外光学材料的色散为正数。

本实施例中，首先，由于衍射光学元件050(DOE)具有较好的色散性能，并且衍射光学元件050(DOE)的阿贝数可为负值，将所述衍射光学元件050应用到曝光***后，曝光***的色差矫正效果优于将特定的光学元件应用到曝光***后的像差矫正效果。其次，由普通玻璃部分色散P值接近常数可知，二级光谱几乎和曝光***的结构无关，例如，二级光谱与曝光***的曲率半径、厚度等无关，因此，将衍射光学元件050应用到曝光***后还可以矫正曝光***的二级光谱，即曝光***可以用于复校色差，从而可改善曝光***的成像质量。

优选的，至少一个所述衍射光学元件050(DOE)设置靠近所述光阑的位置处，如此可矫正曝光***的色差，从而改善曝光***的成像质量。

进一步，至少一个所述衍射光学元件050(DOE)设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子σ尽量接近1的位置处。进一步的，至少一个所述衍射光学元件050(DOE)设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.7≤σ<1的位置处。当所述衍射光学元件050(DOE)设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子尽量接近1的位置处时，所述曝光***具有较好的色差矫正效果。进一步的，至少一个所述衍射光学元件050(DOE)优选设置于所述照明光束的光路中离所述光阑最近的透镜上，且所述衍射光学元件050(DOE)设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.7≤σ<1的位置处。进一步的，至少一个所述衍射光学元件050(DOE)优选设置于所述照明光束的光路中离所述光阑最近的透镜上，且所述衍射光学元件050(DOE)设置于透镜上面向所述光阑的一面上。

优选的，至少一个所述衍射光学元件050设置在远离光阑的位置处。进一步优选的，所述衍射光学元件050设置于所述照明光束的光路中子孔径填充因子0.2≤σ0.7的位置处，如此可矫正曝光***的像散，从而改善曝光***的成像质量。

在其它的实施例中，所述曝光***中的硅片还可以为其它的基底，例如可为锗硅片、玻璃等。

以下以衍射光学元件设置在照明单元中为例，对曝光***进行详细的说明。

图3是本发明一种实施例中的衍射光学元件设置在照明单元中的曝光***的结构示意图。所述曝光***包括一个照明单元110、一个投影物镜单元120、移动掩模台130、掩模版140、工件台150、硅片160和一个衍射光学元件170。其中，用于支撑掩模版140的移动掩模台130位于照明单元110和投影物镜单元120之间，在像平面P位置处设置有用于支撑硅片160的工件台150。所述衍射光学元件170设置在所述照明单元110的中继镜头中，并靠近所述光阑的位置处。所述衍射光学元件170用于矫正所述曝光***的像差。此处的光阑是指照明单元110的中继镜头中的光阑。

本实施例中，所述曝光***的分辨率主要由投影物镜单元120在像方的数值孔径决定。

所述中继镜头采用了折衍射光学设计。参考图4，图4是本发明一种实施例中的中继镜头的光学结构示意图，所述照明中继镜头为双远心折衍射光学***。所述中继镜头的参数如下：物方数值孔径NA为0.65，设计波长为365.7±2.1nm，物方半视场高度为16mm，镜头总长为1200mm，物方工作距为35mm，像方工作距100mm，放大倍率为-0.25，镜片数量为13片。

如图4所示，所述中继镜头中的镜片从左到右依次编号为1号镜片、2号镜片……13号镜片。中继镜头中的镜片被分成第一组镜片LG1、第二组镜片LG2、第三组镜片LG3。第一组镜片LG1包括1号镜片至5号镜片。其中，第一组镜片LG1中的所有镜片具有正光焦度。第二组镜片LG2包括6号镜片至9号镜片。其中，第二组镜片LG2中的6号镜片和9号镜片具有负光焦度，而7号镜片和8号镜片具有正光焦度。第三组镜片LG3包括10号镜片至13号镜片。其中，第三组镜片LG3中所有镜片具有正光焦度。所述中继镜头光学设计参数如表1所示。表1如下所示：

参考图4，中继镜头包括衍射光学元件170(DOE)。衍射光学元件170(DOE)位于靠近光阑处表面序号为16的镜面上，即如图4所示所述衍射光学元件170设置在7号透镜上，并位于所述7号透镜的第一面上。设置衍射光学元件170(DOE)的位置处的子孔径填充因子为0.978。设置衍射光学元件170(DOE)的位置处的子孔径填充因子的计算公式如下：

其中：σ为子孔径填充因子，A为子孔径直径，所述子孔径直径可以通过中心零视场下的通光口径求得，φ为镜片表面全视场全孔径下的通光口径。

所述衍射光学元件170(DOE)的矢高用旋转对称类型相位多项式公式描述，其公式定义如下：

Φ[mm]＝P₂*r²+P₄*r⁴+...+P_2n*r²ⁿ

其中：Φ为衍射面矢高，P为相位系数，n为相位序号，r为半径。

衍射光学元件170(DOE)的属性参数详见表2。表2如下所示：

表3为未使用衍射光学元件170(DOE)的中继镜头的光学设计参数，其设计参数视场，数值孔径，波长等和所述中继镜头的光学参数相同。表3如下所示：

图5为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图，图6为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图，图7为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图，图8为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图，图9为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图，图10为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图。对比图5至7中的近轴色差球差、场曲像散、畸变与图8至10中的轴色差球、场曲像散、畸变，可以发现中继镜头使用衍射光学元件170的像差改善非常明显，加入衍射光学元件170(DOE)后色差小了一个数量级，二级光谱几乎为零，曝光***的色差得到了非常好的矫正。

图11为本实施例中中继镜头未使用衍射光学元件时曝光***的弥散斑示意图，图12为本实施例中中继镜头使用衍射光学元件时曝光***的弥散斑示意图，其中，其中，图12中的弥散斑示意图是在靠近光阑的表面序号16上加入了一片衍射光学元件(DOE)后曝光***的弥散斑示意图，即将所述衍射光学元件(DOE)设置在离光阑最近的透镜且面向光阑的表面上曝光***的弥散斑示意图。对比图11和图12可发现，中继镜头使用衍射光学元件170后曝光***的像差改善非常明显，加入衍射光学元件170(DOE)后视场内最大弥散斑直径RMS值由0.4mm减小到0.14mm。

参考图13、图14和图15，图13为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的相位示意图，图14为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的矢高示意图，图15为本实施例中设置在表面序号16上的衍射光学元件的衍射效率示意图，衍射光学元件170的16阶相位的衍射效率>98％，8阶相位的衍射效率>95％，4阶相位的衍射效率>81％，2阶相位的衍射效率>41％。

本实施例中的曝光***，通过在照明单元110中设置衍射光学元件170，并使衍射光学元件170设置在靠近光阑位置处，可有效矫正曝光***的色差，进而增加曝光***的光学设计变量，从而改善曝光***的成像质量。

以下以衍射光学元件设置在投影物镜单元中为例，对曝光***进行详细的说明。

图16是本发明一种实施例中的衍射光学元件设置在投影物镜单元中的曝光***的结构示意图。所述曝光***包括一个照明单元210、一个投影物镜单元220、移动掩模台230、掩模版240、工件台250、硅片260和两个衍射光学元件。其中，用于支撑掩模版240的移动掩模台230位于照明单元210和投影物镜单元220之间，在像平面M位置处设置有用于支撑硅片260的工件台250。所述衍射光学元件用于矫正所述曝光***的像差。所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元220中。一个所述衍射光学元件设置在靠近所述光阑的位置处，另一个衍射光学元件设置在远离所述光阑的位置处。设置在远离所述光阑的位置处的衍射光学元件主要用于像散矫正。设置在靠近所述光阑的位置处的衍射光学元件主要用于色差矫正。以下为叙述方便，将设置在靠近所述光阑的位置处的一个所述衍射光学元件称之为第一衍射光学元件271，将设置在远离所述光阑的位置处的一个所述衍射光学元件称之为第二衍射光学元件272。此处的光阑是指投影物镜单元220中的光阑。

本实施例中，所述刻曝光***的分辨率主要由投影物镜单元220在像方的数值孔径决定。

所述投影物镜单元220采用了折衍射光学设计。参考图17，图17是本发明一种实施例中投影物镜单元的光学结构示意图，所述投影物镜单元220为双远心折衍射对称光学***。所述投影物镜单元220的参数如下：物方数值孔径NA为0.2，设计波长为g(435nm),h(405nm)，i(365nm)三线，物方半视场高度为31.4mm，镜头总长为900mm，物方工作距为40mm，像方工作距40mm，放大倍率为-1，镜片数量为22片。

参考图17，所述投影物镜单元220中的镜片从左到右依次编号为1号镜片、2号镜片……22号镜片。投影物镜单元220中的镜片被分成第一组镜片LG1、第二组镜片LG2、第三组镜片LG3、第四组镜片LG4、第五组镜片LG5、第六组镜片LG6六组，其中第一组镜片至第三组镜片与第四组镜片至第六组镜片的光学结构完全对称。第一组镜片LG1包括1号镜片至4号镜片，其中1号镜片具有负光焦度，2-4号镜片具有正光焦度。第二组镜片LG2包括5-7号镜片，其中7号镜片具有负光焦度，而5-6号镜片具有正光焦度。第三组镜片LG3由8-11号镜片组成，其中8号镜片和10号镜片具有负光焦度，而9号镜片和11号镜片具有正光焦度。所述投影物镜单元220的光学设计参数如下表4所示。表4如下所示：

参考图17，所述第一衍射光学元件271设置在靠近光阑处表面序号为22的镜面上，如图17所示所述第一衍射光学元件271设置在11号透镜上，并位于所述11号透镜的第二面上。设置第一衍射光学元件271(DOE)的位置处的子孔径填充因子为0.988。所述第二衍射光学元件272位于靠近光阑的表面序号1上，如图17所示所述第二衍射光学元件272设置在1号透镜上，并位于所述1号透镜的第一面上。设置第二衍射光学元件272(DOE)的位置处的子孔径填充因子为0.209。

设置衍射光学元件(DOE)的位置处的子孔径填充因子的计算公式如下：

其中：σ为子孔径填充因子，A为子孔径直径，所述子孔径直径可以通过中心零视场下的通光口径求得，φ为镜片表面全视场全孔径下的通光口径。

所述衍射光学元件(DOE)的矢高用旋转对称类型相位多项式公式描述，其公式定义如下：

Φ[mm]＝P₂*r²+P₄*r⁴+...+P_2n*r²ⁿ

其中：Φ为衍射面矢高，P为相位系数，n为相位序号，r为半径。

所述第一衍射光学元件271(DOE)的属性参数详见下表5。表5如下所示：

所述第二衍射光学元件272(DOE)的属性参数详见下表6。表6如下所示：

表7为未使用衍射光学元件(DOE)的投影物镜单元220的光学设计参数，其设计参数视场，数值孔径，波长等和所述投影物镜单元220的光学参数相同。表7如下所示：

图18为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图，图19为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图，图20为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的畸变示意图，图21为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的近轴色差球差示意图，图22为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的场曲像散示意图，图23为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的畸变示意图。对比图18至20中的近轴色差球差、场曲像散、畸变与图21至23中的轴色差球、场曲像散、畸变，可以发现投影物镜单元220使用衍射光学元件的像差改善非常明显，加入衍射光学元件(DOE)后使用第一衍射光学元件271和第二衍射光学元件272时曝光***的近轴色差球差、场曲像散改善非常明显，场曲像散得到了非常好的矫正。

图24为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的近轴色差和视场中心点的轴向色差示意图，图25为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的近轴色差和视场中心点的轴向色差示意图。对比图24和图25可以发现，使用第一衍射光学元件271和第二衍射光学元件272时曝光***的近轴色差和视场中心点的轴向色差改善非常明显，加入衍射光学元件(DOE)后近轴色差和视场中心点的轴向色差得到了非常好的矫正。

图26为本实施例中投影物镜单元未使用衍射光学元件时曝光***的泽尼克(Zernike)像差像散Z5场内分布示意图，图27为本实施例中投影物镜单元使用第一衍射光学元件和第二衍射光学元件时曝光***的泽尼克(Zernike)像差像散Z5场内分布示意图。对比图26和图27可发现，使用第一衍射光学元件271和第二衍射光学元件272时曝光***的泽尼克(Zernike)像差像散Z5改善非常明显，使用第一衍射光学元件271和第二衍射光学元件272后，Zernike像差像散Z5场内最大值从0.19wave(波长)下降到0.1wave(波长)。

参考图28、图29、图30、图31和图32，图28为本实施例中设置在表面序号1上的第二衍射光学元件的相位示意图，图29为本实施例中设置在表面序号1上的第二衍射光学元件的矢高示意图，图30为本实施例中设置在表面序号22上的第二衍射光学元件的相位示意图，图31为本实施例中设置在表面序号22上的第二衍射光学元件的矢高示意图，图32为本实施例中第一衍射光学元件和第二衍射光学元件的衍射效率示意图，其中16阶相位的平均衍射效率>95％，8阶相位的平均衍射效率>93％，4阶相位的平均衍射效率>80％，2阶相位的平均衍射效率>40％。

本实施例中的曝光***，通过在投影物镜单元220中设置第一衍射光学元件271和第二衍射光学元件272，并使第一衍射光学元件271设置在靠近光阑位置处，第二衍射光学元件272设置在远离光阑位置处，可有效矫正曝光***的色差和像散，进而增加曝光***的光学设计变量，从而改善曝光***的成像质量。

本实施例还提供一种用于上述实施例中的曝光***的曝光方法。所述曝光***包括照明单元、掩模版、投影物镜单元、硅片和至少一个衍射光学元件。所述曝光***还包括至少一个光阑。所述曝光方法包括：

将至少一个用于矫正所述曝光***的像差的衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，并使部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近照明单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近投影物镜单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中远离照明单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离投影物镜单元中的光阑的位置处；

所述照明单元提供照明光束；

所述照明光束依次入射掩模版、投影物镜单元和硅片后，将所述掩模版上的图形成像到硅片上。

本实施例还提供一种光刻机，所述光刻机包括上述实施例中的曝光***。当所述曝光***应用于光刻机时，可改善光刻机的成像质量，进而改善光刻机的成像质量。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种曝光***，其特征在于，包括照明单元、掩模版、投影物镜单元、基底和至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近所述照明单元中的光阑的位置处，且所述衍射光学元件位于所述照明光束的光路中子孔径填充比例0.7≤

<1的位置处，用于校正色差；和/或部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近所述投影物镜单元中的光阑的位置处，且所述衍射光学元件位于所述照明光束的光路中子孔径填充比例0.7≤

<1的位置处，用于校正色差；和/或部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离所述投影物镜单元中的光阑的位置处，且所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中子孔径填充比例0.2≤

≤0.7的位置处，用于校正像散；

所述照明单元用于提供照明光束，所述照明光束依次入射所述掩模版、所述投影物镜单元和所述基底后，将所述掩模版上的图形成像到所述基底上；

其中，所述衍射光学元件包括旋转对称的相位型衍射光学元件。

2.如权利要求1所述的曝光***，其特征在于，至少一个所述衍射光学元件设置于所述照明光束的光路中离所述光阑最近的透镜上，且所述衍射光学元件设置于所述透镜上面向所述光阑的一面上。

3.如权利要求1所述的曝光***，其特征在于，所述衍射光学元件的数量为一个，所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近光阑的位置处。

4.如权利要求1所述的曝光***，其特征在于，所述衍射光学元件的数量为两个，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近光阑的位置处，另一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离光阑的位置处。

5.如权利要求1所述的曝光***，其特征在于，所述衍射光学元件的数量为三个，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近光阑的位置处，一个所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离光阑的位置处，另一个所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近光阑的位置处。

6.一种基于权利要求1至3任一项所述的曝光***的曝光方法，其特征在于，所述曝光方法包括：

将至少一个用于矫正所述曝光***的色差或像散的所述衍射光学元件设置在所述照明单元和/或所述投影物镜单元中，并使部分所述衍射光学元件设置在所述照明单元中靠近所述照明单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中靠近所述投影物镜单元中的光阑的位置处，和/或使部分所述衍射光学元件设置在所述投影物镜单元中远离所述投影物镜单元中的光阑的位置处；

所述照明单元提供照明光束；

所述照明光束依次入射所述掩模版、所述投影物镜单元和所述基底后，将所述掩模版上的图形成像到所述基底上。

7.一种光刻机，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的曝光***。

Images