步进扫描投影光刻机的照明系统

摘要

一种步进扫描投影光刻机的照明系统，沿光束传播方向，其构成包括光源、光瞳整形单元、视场定义单元、第一透镜阵列、第一狭缝阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第二狭缝阵列、第四透镜阵列、聚光镜和扫描驱动单元。本发明降低了透镜加工、狭缝扫描速度和狭缝扫描精度的要求，更容易实现。

说明书

技术领域

本发明涉及投影光刻机，特别是一种步进扫描投影光刻机的照明系统。 

技术背景

光学光刻是将掩模板上的图形转移到硅片上的光学曝光过程。光学光刻按照曝光方式的不同，分为接触式光刻、接近式光刻、步进重复投影光刻、步进扫描投影光刻等。步进扫描投影光刻能有效地提高芯片的生产率，已成为主流光刻技术。 

照明系统是步进扫描投影光刻机的核心部件之一。为了将掩模上可能具有的不同结构的精细图形精确地复制到硅片上，照明系统需要在掩模上形成相干因子可变、光强分布均匀的照明场，同时通过扫描实现照明场大小的连续可调。 

先技术[1](参见Damian Fiolka，Manfred Maul等.Illumination system for a microlithography projection exposure apparatus，US patent8004656B2，2011)给出了一种用于步进扫描投影光刻机的照明系统，该照明系统主要包括：光源、光瞳整形单元、两组微透镜阵列、聚光镜组、扫描狭缝、照明镜组。光源出射的光经过光瞳整形单元变成特定照明模式和相干因子的光束分布，接着通过微透镜阵列和聚光镜组的匀光，在狭缝处形成均匀光场，最后经照明镜组成像到掩模上。狭缝与掩模物像共轭，扫描狭缝可以对掩模上的照明场进行扫描。该照明系统的结构复杂，聚光镜组的镜片口径达到300mm。同时要求扫描狭缝具有高的扫描速度，高达到几百毫米每秒，甚至几米每秒。 

先技术[2](参见Miguel Boutonne，Renaud Mercier Ythier等.Illuminator for a photolithography device，US patent2009257041A1，2009)给出了另一种用于步进扫描投影光刻机的照明系统，该照明系统包括：光源、至少一组微透镜阵列、微狭缝阵列、驱动单元、聚光镜。光源出射的光经过微透镜阵列聚焦到微狭缝阵列处，再经聚光镜放大叠加到掩模上。驱动单元驱动微狭缝阵列运动来实现扫描投影光刻。与先技术[1]相比，该系统对狭缝的扫描速度要求较低，但仍然存在不足，因为微狭缝尺寸小，扫描时需要高达微米量级甚至亚微米量级的精度。 

发明内容

本发明的目的在于克服在先技术的不足，提出一种步进扫描投影光刻的照明系统。该系统降低了对透镜加工难度、狭缝扫描速度和狭缝扫描精度的要求，更容易实现。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种步进扫描投影光刻机的照明系统，包括光源、光瞳整形单元、视场定义单元、聚光镜，特征在于其构成还包括第一透镜阵列、第一狭缝阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第二狭缝阵列、第四透镜阵列和扫描驱动单元，所述的第一透镜阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第四透镜阵列均是由多个相同参数的透镜沿一维或二维空间周期排布而成，所述的第一透镜阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第四透镜阵列具有相同的透镜数目和排布方式，在空间上一一对应，第一透镜阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第四透镜阵列中单个透镜的通光口径大于所述的视场定义单元中微柱面镜有曲率方向的通光口径的两倍，沿该光源出射的光方向依次是光瞳整形单元、视场定义单元、第一透镜阵列、第一狭缝阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第二狭缝阵列、第四透镜阵列、聚光镜和掩模，扫描驱动单元的输出端与所述的第一狭缝阵列、第二狭缝阵列的控制端相连，所述的第一透镜阵列的像方焦平面、第一狭缝阵列所处的平面和第二透镜阵列的物方焦平面重合，所述的第二透镜阵列的像方焦平面与第三透镜阵列的物方焦平面重合，第三透镜阵列的像方焦平面、第二狭缝阵列所处的平面和第四透镜阵列的物方焦平面重合，第四透镜阵列的像方焦平面与所述的聚光镜的物方焦平面重合，所述的光源发出的光束经过光瞳整形单元变成传统、环形、二极或四极照明模式，视场定义单元对光束进行均匀化并形成均匀的角度分布，从视场定义单元出射的光束经过第一透镜阵列汇聚到第一狭缝阵列处；第二透镜阵列和第三透镜阵列构成了无焦系统，将第一狭缝阵列成像到第二狭缝阵列处；第四透镜阵列和聚光镜将第二狭缝阵列放大并成像到所述的掩模上；所述的扫描驱动单元分别控制第一狭缝阵列中的平板和第二狭缝阵列中的平板的移动速度与行程，扫描相应的光场，所述的扫描驱动单元同步驱动第一狭缝阵列中的平板和第二狭缝阵列中的平板分别沿+X和+Y方向运动时，掩模7上照明场同时沿+X和-Y方向扫描。 

所述的第一狭缝阵列、第二狭缝阵列均包含多个透光狭缝和不透光部分，所述的第一狭缝阵列、第二狭缝阵列中透光狭缝的数目等于所述的第一透镜阵列、第二 透镜阵列、第三透镜阵列、第四透镜阵列（44）中的透镜的数目；所述的第一狭缝阵列（51）、第二狭缝阵列（52）中透光狭缝的中心与所述的第一透镜阵列（41）、第二透镜阵列（42）、第三透镜阵列（43）、第四透镜阵列（44）中的透镜光轴一一对应。 

3、根据权利要求1所述的步进扫描投影光刻机的照明系统，其特征在于所述的第一狭缝阵列（51）和第二狭缝阵列（52）为一维狭缝阵列或二维狭缝阵列。 

与在先技术相比，本发明的技术效果如下： 

1.为提高光刻照明的均匀性，校正各种像差，在光刻照明系统中经常使用非球面透镜。在先技术[1]中照明系统的单片透镜口径约几百毫米，组成本照明系统的透镜阵列的单片透镜尺寸在几个毫米到几个厘米之间，加工几个毫米到几个厘米的非球面镜更简单，本发明的照明系统降低了加工难度，更易实现。 

2.比在先技术[1]中板的移动路程至少减小4倍，狭缝阵列的扫描速度也减小4倍及以上。比在先技术[1]中板的移动路程至少增大1倍，所需扫描精度比在先技术[2]中的扫描精度减小一倍以上。 

附图说明

图1为本发明步进扫描投影光刻机的照明系统的结构示意图 

图2为光通过第一透镜阵列、第二透镜阵列、第三透镜阵列、第四透镜阵列的示意图 

图3为视场定义单元至第二透镜阵列结构之一示意图 

图4为第一狭缝阵列结构之一示意图 

图5为视场定义单元至第二透镜阵列结构之二示意图 

图6为第一狭缝阵列结构之二示意图 

图7为视场定义单元至第二透镜阵列结构之三示意图 

图8为第一狭缝阵列结构之三示意图 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

先请参阅图1，图1为本发明步进扫描投影光刻机的照明系统的结构示意图。由图可见，本发明步进扫描投影光刻机的照明系统包括光源1、光瞳整形单元2、视场定义单元3、第一透镜阵列41、第一狭缝阵列51、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第二狭缝阵列52、第四透镜阵列44、聚光镜6和扫描驱动单元8，其位置关系是：光源1出射的光依次经光瞳整形单元2、视场定义单元3、第一透镜阵列41、第一狭缝阵列51、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第二狭缝阵列52、第四透镜阵列44和聚光镜6后照射到掩模7上，扫描驱动单元8的输出端与第一狭缝阵列51、第二狭缝阵列52的控制端连接。所述的第一透镜阵列41的像方焦平面、第一狭缝阵列51所处平面以及第二透镜阵列42的物方焦平面重合，第二透镜阵列42的像方焦平面与第三透镜阵列43的物方焦平面重合，第三透镜阵列43的像方焦平面、第二狭缝阵列52所处平面以及第四透镜阵列44的物方焦平面重合，第四透镜阵列44的像方焦平面与聚光镜6的物方焦平面重合。 

下面将详细阐述各个单元的作用：光源1出射的光经过光瞳整形单元2变成特定的照明模式。视场定义单元3对光束进行均匀化，并产生特定的角度分布。从视场定义单元3出射的光经过第一透镜阵列41，汇聚到第一狭缝阵列51处；第二透镜阵列42和第三透镜阵列43构成无焦系统，将第一狭缝阵列51成像到第二狭缝阵列52处；第四透镜阵列44和聚光镜6能将第二狭缝阵列52放大成像到掩模7上；第一狭缝阵列51由两块相同的平板511和512重合组成，每块平板都包含透光狭缝和不透光部分。第二狭缝阵列52由两块相同的平板521和522重合组成，每块平板都包含透光狭缝和不透光部分。驱动单元8的输出端与平板512以及平板522的控制端连接，控制平板512和平板522的移动速度与行程，改变第一狭缝阵列51和第二狭缝阵列52的通光尺寸，扫描相应的光场。如图1所示，扫描驱动单元8同步驱动平板512和平板522分别沿+X和+Y方向运动时，掩模7上照明场同时沿+X和-Y方向扫描。 

图2为光通过第一透镜阵列41、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43和第四透镜阵列44的示意图。光线R经过第一透镜阵列41和第二透镜阵列42后发生折射，分成光线R1、光线R2和光线R3，光线R1、光线R2和光线R3通过第三透镜阵列43、第四透镜阵列44后合并成光线R4。两边光线R1和光线R2与中间的光线R3之间存在空隙G1和空隙G2，光线R4与光线R相同，可见，如果没有第三透镜阵列43和第四透镜阵列44，则照明模式与预先设定的不同，加入第三透镜阵列43和 第四透镜阵列44后，照明模式与预先设定的相同。 

根据本发明的原理，第一透镜阵列41、第一狭缝阵列51、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第二狭缝阵列52、第四透镜阵列44可以同时为二维构成，也可以同时为一维构成。 

图3为视场定义单元至第二透镜阵列结构之一示意图。视场定义单元由第一微透镜阵列31和第二微透镜阵列32组成。第一微透镜阵列31的前表面为母线沿Y方向的微柱面镜311沿X方向以周期d1排布而成，后表面母线沿X方向的微柱面镜312沿Y方向以周期d2排布而成。第二微透镜阵列32的前表面与微透镜阵列31的后表面相同，第二微透镜阵列32的后表面与第一微透镜阵列31的前表面相同。第一透镜阵列41由单片透镜411二维周期排布构成，X方向周期为d3，Y方向周期为d4。图4是第一狭缝阵列51的结构示意图，第一狭缝阵列51由平板511、平板512构成，平板511包含透光狭缝T1和不透光部分O1，平板512与平板511完全相同，平板512的控制端与驱动单元8的输出端连接，具体结构见图4。第二透镜阵列42由单片透镜421二维周期排布构成。其中，第一透镜阵列41的前表面与微透镜阵列32后表面的间距d5<5mm，以较好的收集光线，提高光能利用率。第一透镜阵列41中单片透镜411的通光口径为视场定义单元3中微柱面镜有曲率方向的通光口径的2倍以上，即d3≥2d1，d4≥2d2。第二透镜阵列42与第一透镜阵列41具有相同的透镜数目和排布方式，对应透镜的光轴A与Z轴平行，且通过第一狭缝阵列中相应的透光狭缝T1的中心。除图中所示外，第一透镜阵列41、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第四透镜阵列44都具有相同的透镜数目和排布方式，对应透镜的光轴与Z轴平行，且同时通过第一狭缝阵列和第二狭缝阵列中相应的透光狭缝的中心。 

图4为本发明第一狭缝阵列结构之一示意图。第一狭缝阵列51由平板511和平板512重合组成，其中，平板511包含多个透光狭缝T1和不透光部分O1，平板512的结构与平板511完全相同，平板511的控制端与驱动单元8的输出端连接。扫描时，平板511保持静止，驱动单元8驱动平板512沿x或y方向运动，平板511透光狭缝T1的尺寸减小，从而实现对掩模7上的照明场的扫描。其中a1、b1分别为平板511透光狭缝沿X方向的尺寸和Y方向的尺寸，d3、d4分别为平板511的X方向的周期和Y方向的周期。它们需满足关系：d3>2a1，d4>2b1，以保证在扫描过程中512的不透光部分O2能将511的透光狭缝T1完全遮住。第二狭缝阵列52 与第一狭缝阵列51相同，第一狭缝阵列51和第二狭缝阵列52的配合如下：第一狭缝阵列51中的平板512在驱动单元8的驱动下沿Y方向扫描，第二狭缝阵列52静止不动，则掩模7上的照明场沿Y方向扫描；第一狭缝阵列51中的平板512在驱动单元8的驱动下沿Y方向扫描，第二狭缝阵列52中的平板522在驱动单元8的驱动下沿X方向扫描，则掩模7上的照明场同时沿X和Y方向扫描。第一狭缝阵列51和第二狭缝阵列52有多种组合方式，不限于上面列出的两种组合。第一狭缝阵列51、第二狭缝阵列52中透光狭缝的中心与第一透镜阵列41、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第四透镜阵列44中的透镜光轴一一对应。 

根据本发明的原理，第一透镜阵列41、第一狭缝阵列51、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第二狭缝阵列52、第四透镜阵列44也可以同时为一维构成。 

图5为视场定义单元至第二透镜阵列结构之二示意图。视场定义单元由微透镜阵列31和微透镜阵列32组成。微透镜阵列31的前表面为母线沿Y方向的微柱面镜311沿X方向以周期d1排布而成，后表面母线沿X方向的微柱面镜312沿Y方向以周期d2排布而成。微透镜阵列32的前表面与微透镜阵列31的后表面相同，微透镜阵列32的后表面与微透镜阵列31的前表面相同。第一透镜阵列41是由单片透镜411沿Y方向以周期d4排布而成，第一透镜阵列41中单片透镜411的通光口径为视场定义单元3中微柱面镜有曲率方向的通光口径的2倍及以上，即d4≥2d2。第一狭缝阵列51由平板511、平板512构成，平板511包含多个一维排列的透光狭缝T1和不透光部分O1，平板512与平板511完全相同，平板512的控制端与驱动单元8的输出端连接。第二透镜阵列42与第一透镜阵列41具有相同的透镜数目和排布方式，且对应透镜的光轴A与Z轴平行，且通过第一狭缝阵列中相应的透光狭缝T1的中心。除图中所示外，第一透镜阵列41、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第四透镜阵列44都具有相同的透镜数目和排布方式，且对应透镜的光轴与Z轴平行，且同时通过第一狭缝阵列和第二狭缝阵列中相应的透光狭缝的中心。 

图6为第一狭缝阵列结构之二示意图。第一狭缝阵列51由平板511和平板512重合组成，其中，平板511包含沿y方向一维排列的多个x方向的透光狭缝T1和不透光部分O1含多个一维排列的透光狭缝T1和不透光部分O1，平板512的结构与平板511完全相同，平板512的控制端与驱动单元8的输出端连接。扫描时，平板511保持静止，驱动单元8驱动平板512沿y方向运动，第一狭缝阵列51透光狭缝尺寸减小，从而实现对掩模7上的照明场沿Y方向的扫描。图中，a1、b1分别为透 光狭缝沿X和Y方向的尺寸，d4为透光狭缝沿Y方向的周期。d4和b1之间需满足关系式：d4>2b1，即沿扫描方向平板512不透光部分O2的宽度大于平板511透光狭缝T1的宽度，以保证在扫描过程中512的不透光部分O2可以将511的透光狭缝T1完全遮住。第二狭缝阵列52与第一狭缝阵列51完全相同。扫描时第二狭缝阵列52与第一狭缝阵列51的配合如下：当第一狭缝阵列51中的平板512在驱动单元8的驱动下沿Y方向扫描，第二狭缝阵列52静止不动，则掩模7上的照明场沿Y方向扫描，第二狭缝阵列52可以通过改变X方向狭缝大小控制通光孔径，限制X方向的视场大小；当第一狭缝阵列51静止不动，第二狭缝阵列52中的平板522在驱动单元8的驱动下沿Y方向扫描，则掩模7上的照明场沿Y方向扫描，第一狭缝阵列51可以通过改变X方向狭缝大小控制通光孔径，限制X方向的视场大小。 

图7为视场定义单元至第二透镜阵列结构之三示意图。视场定义单元由微透镜阵列31和微透镜阵列32组成。微透镜阵列31的前表面为母线沿Y方向的微柱面镜311沿X方向以周期d1排布而成，后表面母线沿X方向的微柱面镜312沿Y方向以周期d2排布而成。微透镜阵列32的前表面与微透镜阵列31的后表面相同，微透镜阵列32的后表面与微透镜阵列31的前表面相同。第一透镜阵列41是由单片透镜411沿X方向以周期d3排布而成，第一透镜阵列41中单片透镜411的通光口径为视场定义单元3中微柱面镜通光口径的2倍及以上，即d3≥2d1。第二透镜阵列42与第一透镜阵列41具有相同的透镜数目和排布方式，对应透镜的光轴A与Z轴平行，且通过第一狭缝阵列中相应的透光狭缝T1的中心。除图中所示外，第一透镜阵列41、第二透镜阵列42、第三透镜阵列43、第四透镜阵列44都具有相同的透镜数目和排布方式，对应透镜的光轴与Z轴平行，且同时通过第一狭缝阵列和第二狭缝阵列中相应的透光狭缝的中心。 

图8为第一狭缝阵列结构之三示意图。第一狭缝阵列51由平板511和平板512重合组成，其中，平板511包含沿x方向一维排列的多个y方向的透光狭缝T1和不透光部分O1，平板512的结构与平板511完全相同，平板512的控制端与驱动单元8的输出端连接。扫描时，平板511保持静止，驱动单元8驱动平板512沿X方向运动，平板511透光狭缝T1尺寸减小，从而实现对掩模7上的照明场沿X方向的扫描。透光狭缝T1沿X和Y方向的尺寸为a1、b1，沿X方向的周期为d3，a1和c1之间需满足关系式：d3>2a1，即沿扫描方向512不透光部分O2的宽度大于511透光狭缝T1的宽度，以保证在扫描过程中512的不透光部分O2能将511透光狭缝 T1完全遮住。第二狭缝阵列52与第一狭缝阵列51完全相同。扫描时第二狭缝阵列52与第一狭缝阵列51的配合如下：当第一狭缝阵列51中的平板512在驱动单元8驱动下沿X方向扫描，第二狭缝阵列52静止不动，则掩模7上的照明场沿X方向扫描，第二狭缝阵列52可以通过改变Y方向狭缝大小控制通光孔径，限制Y方向的视场大小；当第一狭缝阵列51静止不动，第二狭缝阵列52中的平板522在驱动单元8驱动下沿X方向扫描，则掩模7上的照明场沿X方向扫描，第一狭缝阵列51可以通过改变Y方向狭缝大小控制通光孔径，限制Y方向的视场大小。