專利名稱：一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光刻技術領域，尤其涉及一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻 曝光裝置。
背景技術：
光刻是推動半導體工業迅速發展的一項關鍵技術，它通過曝光裝置和光刻投影物 鏡將掩膜上的集成電路的結構圖形復制到涂有光刻膠的硅片上。在光刻曝光裝置中，可通 過采用分辨率增強技術(如離軸照明)來提高光刻分辨率和改善焦深，因此光刻曝光裝置 的性能決定著投影光刻系統的性能。光刻曝光裝置一般包括光束擴束器、光束整形器、變焦光學系統、光學積分器和 中繼光學系統幾個主要部分，其中光束整形器用于實現光刻系統所需的離軸照明模式。 光刻曝光裝置中常用的光束整形器有光闌(B. W. Smith, L. Zavyalova, J. S. Petersen, "Illumination pupil filtering using modified quadrupole apertures,，，Proc. SPIE 3334,384-394(1998))、衍射光學元件(Diffractive Optical Elements, DOEs) (M. D. Himel, R. E. Hutchins, J. C. Colvin,"Design and fabrication of customized illumination patterns for low kl lithography -.a diffractive approach, 'Troc. SPIE 4364，1436-1442(2001))、微反射鏡陣列(Μ. Mulder, A. Enge 1 en, 0. Noordman,“Performance of a programmable illuminator for generation of freeform sources on high NA immersion systems, "Proc. SPIE 7520，75200Y(2009))和微透鏡陣列(H. Ganser， Μ.Darscht, Y. Miklyave, "How refractive microoptics enable lossless hyper-NA illumination systems for immersion lithography, "Proc. SPIE 6281,62810P(2006))。 采用光瞳濾波，將一個形狀和尺寸與預定的照明模式一致的光闌置于光學積分器的后表 面，透過光闌的光束在目標面上便形成預定的離軸照明模式。由于存在對光束的阻擋，光瞳 濾波能量利用率較低。采用衍射光學元件，光束經DOE衍射后再經一個傅里葉變換透鏡在 目標面產生所需的離軸照明模式。較光瞳濾波，衍射光學元件大大提高了能量利用率，但由 于存在高級衍射和零級峰值，其效率一般不超過93 %。此外，高效率的衍射光學元件依賴于 高分辨率的光刻技術和高精度的玻璃蝕刻能力，因此，想通過衍射光學元件進一步提高光 刻系統的能量利用率是十分困難的。采用微反射鏡陣列，通過控制上萬個微反射鏡的傾斜 角度以實現預定的照明模式，這勢必增大加工和控制的難度。同時，反射會改變激光光束的 偏振態，不利于改善光刻系統的焦深和成像的對比度。微透鏡陣列采用偶次或奇次非球面， 通過疊加每個微透鏡產生的光束在目標面上形成離軸照明。微透鏡陣列具有較高的效率， 同時不改變光束的偏振態。類似于照明系統中的復眼透鏡，要達到較高均勻度的離軸照明 模式需要采用雙排甚至多排的微透鏡陣列，并同時減小微透鏡的尺寸，這無疑對光刻曝光 系統的位置校準提出了更高的要求，同時也增加了光刻曝光裝置的復雜度。為獲得較好的光束整形效果和較高的能量利用率，本發明提出了一種采用自由曲 面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置。
發明內容
本發明的目的是提供一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置。采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置包括激光光源、光束擴束器、自 由曲面透鏡光束整形器、濾波光闌、變焦光學系統、光學積分器、準直光學系統、視場光闌、 中繼光學系統、掩膜、光刻投影物鏡、光刻膠；中繼光學系統包括前透鏡組、中間反射鏡和后 透鏡組；激光光源的出射激光光束依次經過光束擴束器、自由曲面透鏡光束整形器、濾波光 闌、變焦光學系統、光學積分器、準直光學系統、視場光闌、中繼光學系統、掩膜、光刻投影物 鏡，最后照射至光刻膠；濾波光闌所處位置和光學積分器的前表面所處位置是變焦光學系 統的一對共軛位置，光學積分器后表面所處位置和視場光闌所處位置是準直光學系統的一 對共軛位置，視場光闌所處位置和掩膜所處位置是中繼光學系統的一對共軛位置，掩膜所 處位置和光刻膠所處位置是光刻投影物鏡的一對共軛位置。所述的自由曲面透鏡光束整形器包括前表面平面、后表面自由曲面和側面圓柱 面，前表面平面與后表面自由曲面通過側面圓柱面相連接，前表面平面垂直于激光光束傳 播方向，后表面自由曲面用于偏折激光光束；后表面自由曲面包括第一自由曲面、第二自由 曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面、第八自 由曲面和圓柱面，第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲 面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面通過圓柱面相連接，后表面自由曲面關于 坐標平面平面xOz和坐標平面yOz對稱；激光光束經第一自由曲面、第二自由曲面、第三自 由曲面和第四自由曲面偏折，激光光束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的內 環，激光光束經第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，激光光 束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的外環；其中，后表面自由曲面的面型由如下公式確定第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面的面型確定公式為 第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面的面型確定公式為 Rfflax為激光光束在前表面平面位置處截面的最大半徑，rfflaxl和rminl、rmax2和rmin2分 別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，W0為前 表面平面上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑，θ_和Qmin為目標面照明區域內位于第 一象限的雙四極光斑的直線邊界與χ軸正向的夾角，(tx, ty, tz)為目標面照明區域內點T 的直角坐標，(Θ，外P)為后表面自由曲面上點P的球坐標，θ的取值范圍為
,φ 的取值范圍為
Rmax為激光光束在前表面平面Sl位置處截面的最大半徑，rmaxl和rminl、rmax2和rmin2 分別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，W0為 前表面平面Sl上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑，θ_和θ min為目標面照明區域內 位于第一象限的雙四極光斑的直線邊界與χ軸正向的夾角，(tx，ty，tz)為目標面照明區域 內點T的直角坐標，(θ，外ρ)為后表面自由曲面S2上點P的球坐標，θ的取值范圍為
，識的取值范圍為
根據后表面自由曲面S2上點P處的入射光線的單位方向向量;？和出射光線的單位 方向向量3，由折射定律可得
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根據該折射關系式和后表面自由曲面S2在點P處的的單位法矢義的表達式，可求 得后表面自由曲面S2上激光光束入射點P的球坐標、目標面照明區域上折射光線入射點T
的直角坐標、后表面自由曲面S2上激光光束入射點P處的曲面斜率這三者之間的對應關系
丄
T7
Γ, (t2-ροο5φ) + ^-(ΓζΙχ-ΓχΙζ)\Τ-Ρ\ ηη
Yy{t2-pco^) + ^-{TzIy~YyI2)\T-P
Hr,
+ ρ sin ζ cos ^
+ ρ sin sin ^
其中
Tx=-pexsine + sin φ χ cos φ χ cos θ-py. sin2 φ χ cos θ Γy 二 χ cos0 +PipXsin^X cos爐χ sin汐一 χ sin2 滬χ sin沒，
Γζ = -ρφ χ sin2 口 _ 尸 χ sin 爐 χ cos θ，
再經整理，可得P θ和A滿足的關系式
P0 = ρ χ sm ζζ> χ
sin沒χη0 χOx -cos0xnoxOy
Pv = Px
cos爐χ {η0 χ Oz - η7) + sin^χ (cosθχη0χΟχ +SmOxn0 χ Oy)
sin φχ(η0χ O2 - H1) - cos φ χ (cos θ -χ ηα χ Ox + sin ^ χ ^0 χ Oy) οοΒφχ (ησ χ Oz -η{) + sinpx (cos0χη0 χ Ox +sm0y.noxOy) ’令
^1O,沒，爐)二廠xsin爐X
sm0xno χ Ox-cos0χη0 χ Oy則
cos φ χ (ηα χ Oz - ) + sin ^ χ (cos θ χ η0 χ Ox+sm0xno χ Oy)
sin φ χ (η0 χ Oz -Ti1)- cos φ χ (cos θχη0χΟχ +sin0xnoxOy) cos φ χ {η() χΟζ-ηι) + 8 ηφχ (cos 0xnoxOx+sm0xnoxOy)
Pe^ SiiP^,φ)，
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得到一個常微分方程組，初始條件P (0,0) = h。由于上述常微分方程組含有參數tx、ty和tz，在數值求解該常微分方程組之前還 需構建出后表面自由曲面S2上的點T和目標面照明區域的點P之間的坐標關系。參照圖3和圖4所示的本發明的自由曲面透鏡的能量映射關系，半徑為Rmax = 6. 5mm的圓形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內環內徑為rminl、外徑為rmaxl，外 環內徑為rmin2、外徑為rmax2的雙四極均勻照明區域，根據能量守恒
求得目標面照明區域的照度為
假設目標面上內環照明區域對應入射激光光束截面上半徑為R1的圓形區域，根據 能量守恒
求得 參照圖3所示的本發明的自由曲面透鏡的內環能量映射關系，假設半徑為r的圓 形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內徑為rminl、外徑為。的四極均勻照明區 域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環對應照明區域半徑為η的圓環，根據能量守恒 求得r和巧的關系式 由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強度分布均關于
平面xOz和平面yOz對稱，因此可取位于第一象限的區域進行分析。假設入射激光光束截
面內角θ所在的區域對應于目標面照明區域角(Q1-Qmin)所在的區域，根據能量守恒 求得θ和θ工的關系式 進而求得目標面照明區域上點T的坐標tx = T1Xcos θ jty = T1Xsin θ j而r = ρ χ sin ^，從而構建出點T和點P之間的坐標關系。參照圖4所示的本發明的自由曲面透鏡的外環能量映射關系，假設內徑為R1、外徑 為r的環形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內徑為rmin2、外徑為Γι的四極均勻 照明區域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環對應照明區域半徑為Γι的圓環，根據能量 守恒 求得r和巧的關系式 由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強度分布均關于 平面xOz和平面yOz對稱，因此可取位于第一象限的區域進行分析。假設入射激光光束截 面內角θ所在的區域對應于目標面照明區域角(Q1-Qmin)所在的區域，根據能量守恒
Ir1
J'R,m
k
exp(^)x0xrxdr = Γ"""2 ￡ χ (6*,-OmiJ^rxdr
Wn‘1' ·-2
求得θ和θ工的關系式
2^dax -^min)T D 2 TD 2 . W0 W0 .[(rmax 1 一 rmin 1 ) + (rmax2 — Γπι η27^max2 ~rmm2 )1 exp( 2Rm^ ) _ wo .
進而
求得目標面照明區域上點τ的坐標tx = T1Xcos θ jty = T1Xsin θ j而r = pxsin^，從而構建出點T和點P之間的坐標關系。根據所構建出的點T和點P之間的坐標關系，利用四階龍格_庫塔法對常微分方
程組進行求解。由于后表面自由曲面S2關于平面xOz和平面yOz對稱，可選取位于0 e
的第一自由曲面S2.1和第五自由曲面S2. 5作為求解對象。首先對θ的取值區域按照取 定的步長進行離散化，在每個離散化值Qi處將Qi視為常數，將ρ作為變量，然后根據初始
17條件P (0,0) =h利用利用四階龍格-庫塔法編程求解常微分方程八=g2(A《灼，所求得 的數據即為第一自由曲面S2. 1和第五自由曲面S2. 5的面型，最后將第一自由曲面S2. 1和 第五自由曲面S2. 5進行平面xOz和平面yOz對稱即可得到第二自由曲面S2. 2、第三自由曲 面S2. 3、第四自由曲面S2. 4、第六自由曲面S2. 6、第七自由曲面S2. 7、第八自由曲面S2. 8， 如圖5(a)所示。目標面照明區域雙四極均勻照明模擬效果圖參見圖9(a)，整形過程能量傳輸效率 為89. 81%,目標面照明區域照度均勻性為84. 89%。當rmaxl = rfflinl = rfflin2時，目標面照明區域雙四極均勻照明演變成單四極均勻照 明，此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖5 (b)所示，采用第一自由曲面S2. 1、第二自由 曲面S2. 2、第三自由曲面S2. 3和第四自由曲面S2. 4構成整張后表面自由曲面S2。目標面 照明區域四極均勻照明模擬效果圖參見圖9(b)，整形過程能量傳輸效率為93. 6%,目標面 照明區域照度均勻性為87. 94%。當θ_= π-emin時，目標面照明區域雙四極均勻照明演變成雙偶極均勻照明， 此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖6 (a)所示，后表面自由曲面S2包括第一自由曲面 S2. 1、第二自由曲面S2. 2、第三自由曲面S2. 3、第四自由曲面S2. 4和圓柱面S2. 5，第一自由 曲面S2. 1、第二自由曲面S2. 2、第三自由曲面S2. 3與第四自由曲面S2. 4通過圓柱面S2. 5 相連接。目標面照明區域雙極均勻照明模擬效果圖參見圖9(c)，整形過程能量傳輸效率為 90. 45%,目標面照明區域照度均勻性為88. 96%。當θ max = π - θ miI^rmaxl = rfflinl = rfflin2時，目標面照明區域雙四極均勻照明演變 成單偶極均勻照明，此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖6(b)所示，此時第一自由曲面 S2. 1和第二自由曲面S2. 2構成整張后表面自由曲面S2。目標面照明區域偶極均勻照明模 擬效果圖參見圖9 (d)，整形過程能量傳輸效率為93. 17 %，目標面照明區域照度均勻性為 89. 81%。當emin = 0且emax = 2JT-emin時，目標面照明區域雙四極均勻照明演變成雙環形 均勻照明，此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖7所示，后表面自由曲面S2包括第一自 由曲面S2. 1、第二自由曲面S2. 2和圓柱面S2. 3，第一自由曲面S2. 1和第二自由曲面S2. 2 通過圓柱面S2. 3相連接。目標面照明區域雙環形均勻照明模擬效果圖參見圖9(e)，整形過 程能量傳輸效率為98. 67%,目標面照明區域照度均勻性為95. 5%。當θmin = 0、θ _ = 2 π - θ min且rmaxl = rfflinl = rfflin2時，目標面照明區域雙四極均 勻照明演變成單環形均勻照明，此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖8所示，第一自由 曲面S2. 1構成后表面自由曲面S2。目標面照明區域環形均勻照明模擬效果圖參見圖9 (f)， 整形過程能量傳輸效率為99. 04%,目標面照明區域照度均勻性為95. 71%。在此需明確的是，用于單四極均勻照明的自由曲面透鏡、用于雙偶極均勻照明的 自由曲面透鏡、用于單偶極均勻照明的自由曲面透鏡、用于雙環形均勻照明的自由曲面透 鏡和用于單環形均勻照明的自由曲面透鏡均屬于用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡的 特例，因此用于單四極均勻照明的自由曲面透鏡、用于雙偶極均勻照明的自由曲面透鏡、用 于單偶極均勻照明的自由曲面透鏡、用于雙環形均勻照明的自由曲面透鏡和用于單環形均 勻照明的自由曲面透鏡均含于用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡，理應在本發明的權利 要求范圍內。
根據上述六種自由曲面透鏡光束整形器形成的離軸照明光斑以及各光束整形器 的效率可知，本發明的采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置具有較好的光束整 形效果和較高的能量利用率。此外，不同于采用衍射光學元件實現離軸照明的光刻曝光裝 置，本發明的光刻曝光裝置采用自由曲面透鏡作為光束整形器，可直接在濾波光闌3位置 處形成離軸照明光斑，而無需借助傅里葉變換透鏡等元件，因此本發明的采用自由曲面透 鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置的結構復雜程度得以降低，具有較廣的應用前景。
權利要求
一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置，其特征在于包括激光光源(LS)、光束擴束器(1)、自由曲面透鏡光束整形器(2)、濾波光闌(3)、變焦光學系統(4)、光學積分器(5)、準直光學系統(6)、視場光闌(7)、中繼光學系統(8)、掩膜(M)、光刻投影物鏡(PL)、光刻膠(W)；中繼光學系統(8)包括前透鏡組(8.1)、中間反射鏡(8.2)和后透鏡組(8.3)；激光光源(LS)的出射激光光束依次經過光束擴束器(1)、自由曲面透鏡光束整形器(2)、濾波光闌(3)、變焦光學系統(4)、光學積分器(5)、準直光學系統(6)、視場光闌(7)、中繼光學系統(8)、掩膜(M)、光刻投影物鏡(PL)，最后照射至光刻膠(W)；濾波光闌(3)所處位置和光學積分器(5)的前表面所處位置是變焦光學系統(4)的一對共軛位置，光學積分器(5)后表面所處位置和視場光闌(7)所處位置是準直光學系統(6)的一對共軛位置，視場光闌(7)所處位置和掩膜(M)所處位置是中繼光學系統(8)的一對共軛位置，掩膜(M)所處位置和光刻膠(W)所處位置是光刻投影物鏡(PL)的一對共軛位置。
1.一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置，其特征在于包括激光光源 (LS)、光束擴束器(1)、自由曲面透鏡光束整形器(2)、濾波光闌(3)、變焦光學系統(4)、光 學積分器(5)、準直光學系統(6)、視場光闌(7)、中繼光學系統(8)、掩膜(M)、光刻投影物 鏡(PL)、光刻膠(W)；中繼光學系統⑶包括前透鏡組(8. 1)、中間反射鏡(8. 2)和后透鏡組 (8.3)；激光光源(LS)的出射激光光束依次經過光束擴束器(1)、自由曲面透鏡光束整形器 (2)、濾波光闌(3)、變焦光學系統(4)、光學積分器(5)、準直光學系統(6)、視場光闌(7)、中 繼光學系統(8)、掩膜(M)、光刻投影物鏡(PL)，最后照射至光刻膠(W)；濾波光闌(3)所處 位置和光學積分器(5)的前表面所處位置是變焦光學系統(4)的一對共軛位置，光學積分 器(5)后表面所處位置和視場光闌(7)所處位置是準直光學系統(6)的一對共軛位置，視 場光闌(7)所處位置和掩膜(M)所處位置是中繼光學系統(8)的一對共軛位置，掩膜(M) 所處位置和光刻膠(W)所處位置是光刻投影物鏡(PL)的一對共軛位置。
2.根據權利要求1所述的一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置，其特 征在于所述的自由曲面透鏡光束整形器(2)包括前表面平面(Si)、后表面自由曲面(S2)和 側面圓柱面(S3)，前表面平面(Si)與后表面自由曲面(S2)通過側面圓柱面(S3)相連接， 前表面平面(Si)垂直于激光光束傳播方向，后表面自由曲面(S2)用于偏折激光光束；后表 面自由曲面(S2)包括第一自由曲面(S2. 1)、第二自由曲面(S2. 2)、第三自由曲面(S2. 3)、 第四自由曲面(S2. 4)、第五自由曲面(S2. 5)、第六自由曲面(S2. 6)、第七自由曲面(S2. 7)、 第八自由曲面(S2. 8)和圓柱面(S2. 9)，第一自由曲面(S2. 1)、第二自由曲面(S2. 2)、第三 自由曲面(S2. 3)、第四自由曲面(S2. 4)、第五自由曲面(S2. 5)、第六自由曲面(S2. 6)、第七 自由曲面(S2. 7)和第八自由曲面(S2. 8)通過圓柱面(S2. 9)相連接，后表面自由曲面(S2) 關于坐標平面平面xOz和坐標平面yOz對稱；激光光束經第一自由曲面(S2. 1)、第二自由 曲面(S2. 2)、第三自由曲面(S2. 3)和第四自由曲面(S2.4)偏折，激光光束在目標面上的 照明區域對應雙四極均勻照明中的內環，激光光束經第五自由曲面(S2. 5)、第六自由曲面 (S2. 6)、第七自由曲面(S2. 7)和第八自由曲面(S2. 8)偏折，激光光束在目標面上的照明區 域對應雙四極均勻照明中的外環；其中，后表面自由曲面(S2)的面型由如下公式確定第一自由曲面(S2. 1)、第二自由曲面(S2. 2)、第三自由曲面(S2. 3)和第四自由曲面 (S2. 4)的面型確定公式為 Rmax為激光光束在前表面平面(Si)位置處截面的最大半徑，rmaxl*rminl、rmax2*rmin2* 別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，W0為前 表面平面(Si)上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑，θ_和Qmin為目標面照明區域內 位于第一象限的雙四極光斑的直線邊界與χ軸正向的夾角，(tx，ty，tz)為目標面照明區域 內點T的直角坐標，(θ，外ρ)為后表面自由曲面(S2)上點P的球坐標，θ的取值范圍為
，識的取值范圍為[0，π/2)，P0和&分別為矢徑P關于θ和ρ的偏導數，巧為 自由曲面透鏡的折射率，nQ為介質的折射率，且nQ<ni，π為圓周率。
全文摘要
本發明公開了一種采用自由曲面透鏡實現離軸照明的光刻曝光裝置。包括激光光源、光束擴束器、自由曲面透鏡光束整形器、濾波光闌、變焦光學系統、光學積分器、準直光學系統、視場光闌、中繼光學系統、掩模、光刻投影物鏡、光刻膠；中繼光學系統包括前透鏡組、中間反射鏡和后透鏡組；濾波光闌所處位置和光學積分器的前表面所處位置是變焦光學系統的一對共軛位置，光學積分器后表面所處位置和視場光闌所處位置是準直光學系統的一對共軛位置，視場光闌所處位置和掩模所處位置是中繼光學系統的一對共軛位置，掩模所處位置和光刻膠所處位置是光刻投影物鏡的一對共軛位置。本發明整形效果好，能量利用率高。
文檔編號G02B27/09GK101916047SQ201010237979
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者劉旭, 吳仍茂, 李海峰, 邢莎莎, 鄭臻榮 申請人:浙江大學