用于微光刻法的先进的照明系统

摘要

一种用于微光刻的系统，包括：照明光源；照明光学系统；和投影光学系统，该照明光学系统包括，按从物镜侧开始的顺序，(a)从照明光源接受照明的第一衍射光学单元，(b)变焦透镜，(c)第二衍射光学单元，(d)聚光器透镜，(e)中继透镜，(f)掩模版，该投影光学系统用于把掩模版成像在基片上，其中，用于微光刻的本系统，提供可变焦的数值孔径。

说明书

技术领域

本发明涉及微光刻法，更具体说，是涉及用于微光刻法设备的有高数值孔径的照明系统。

背景技术

光刻法(亦称微光刻法)用于制造半导体器件。光刻法使用电磁辐射，如紫外(UV)、深UV、或可见光，在半导体器件设计中产生精细的图。许多种半导体器件，如二极管、三极管、和集成电路，能够用光刻技术制作。在半导体制作中，用曝光系统或设备来实施如蚀刻的光刻技术。曝光系统通常包括照明系统、含有电路图的掩模版(亦称掩模)、投影系统、和用于对准涂覆了光致抗蚀剂的半导体晶片的晶片对准台。照明系统以优良的矩形长孔照明场照明掩模版上的区域。投影系统把掩模版电路图照明区域的像，投射到晶片上。

随着半导体器件制作技术的进步，对制作半导体器件的光刻系统每一部件，永远存在增长的要求。该要求包括用于照明掩模版的照明系统。例如，  需要用均匀辐照度的照明场来照明掩模版(reticle)。在分步扫描光刻法中，还需要改变照明场的大小，使该照明场大小能够适应于不同的应用和半导体晶片尺寸。

某些照明系统包括置于掩模版之前的阵列的或衍射散射光学单元。该散射光学单元产生需要的光角分布，其后把该光角分布成像或中继至掩模版。

此外，一般使用的晶片尺寸有26×5mm、17×5mm、和11×5mm。因此，标准的变焦透镜必须适应照明场大小的变化。然而，在微光刻领域中出现一特殊的问题，即在半导体基片上需要形成的不同特征，要求部分曝光光学部件有可变的部分相干性。具体说，部分相干性(σ)，在微光刻法中一般定义为照明光学部件数值孔径与投影系统数值孔径之比，必需随半导体基片上需要形成的不同特征的性质而变化，例如，用于生成沟槽的σ与用于生成线的σ不同。

因此，需要一种简单的微光刻系统，它能在大范围上改变部分相干性参数，同时又能适应不同的场的大小。

发明内容

本发明针对一种微光刻系统，它有可变的部分相干性和场的大小。

本发明的一个优点，是能提供一种微光刻系统，该系统具有连续地可调整的部分相干性及离散地可调整的场的大小。

本发明的另一个优点，是能提供一种微光刻系统，该系统的部分相干性及场的大小两者都能连续地改变。

本发明的另一个优点，是能提供一种微光刻系统，该系统能用简单的光学部件达到上述目标。

本发明另外的特征和优点，将在下面的说明中阐述，且部分在说明中是显而易见的，或者可从本发明的实现中学到。本发明的这些目的和其他优点的实现和取得，在于下面的说明及其权利要求书中以及附图中特别指出的结构。

如已经概括并广为说明了的，为获得这些和其他优点，并按照本发明的目的，是提供一种用于微光刻的系统，该系统包括照明光源、照明光学系统、和投影光学系统，该照明光学系统又包括，按从物镜侧开始的顺序：(a)从照明光源接受照明的第一衍射光学单元，(b)变焦透镜，(c)第二衍射光学单元，(d)聚光器透镜，(e)中继透镜，和(f)掩模版；该投影光学系统用于把掩模版成像在基片上，其中，该投影光学系统为微光刻提供可变焦的数值孔径。

按照本发明的另一方面，是提供一种用于微光刻的系统，该系统包括照明光源、照明光学系统、和投影光学系统，照明光学系统从照明光源接受照明，投影光学系统从照明系统接受照明，其中，照明系统的数值孔径与投影光学系统的数值孔径之比，是连续地可变的，而场的大小则是离散地可变的。

按照本发明的另一方面，是提供一种用于微光刻的照明系统，该系统包括，按从物镜侧开始的顺序：第一衍射光学单元、变焦透镜、有矩形数值孔径的第二衍射光学单元、聚光器透镜、和中继透镜。

按照本发明的另一方面，是提供一种用于微光刻的系统，该系统包括照明系统和投影光学系统，该照明系统又包括，按从物镜侧开始的顺序：(a)在第一侧有第一衍射光学单元和在第二侧有第二衍射光学单元的变焦透镜，(b)聚光器透镜，和(c)中继透镜；其中，照明系统的数值孔径与投影光学系统的数值孔径之比，是连续地可变的。

应当指出，前述的一般说明与下面的详细说明两者，都是示例性和解释性的，并且如要求那样，旨在对本发明提供进一步的解释。

附图说明

各个附图，是为提供对本发明进一步的了解而被包括进来的，并被本说明书引用和构成本说明书的一部分，这些附图举出本发明各实施例，并与本说明一起，说明本发明的原理。附图中：

图1是本发明一个实施例的示意图；

图2是图1实施例的另一个图，表明透镜的排列；

图3是本发明另一个实施例的示意图；

图4A-4C画出本发明一个实施例中使用的聚光器透镜的光线轨迹图；

图5A-5B画出本发明一个实施例中使用的中继透镜的光线轨迹图；

图6A-6B画出本发明一个实施例中使用的变焦透镜的光线轨迹图；

图7画出照明系统的整体设计，例如图1所示照明系统的整体设计；

图8是照片，表明用于衍射光学单元的变换器机构；

图9是照片，表明用于图7实施例的动态可调整狭缝；和

图10是照片，表明用于图7实施例的场成帧组件。

具体实施方式

现在详细参考本发明各优选实施例，实施例所举的例子，都在各附图中画出。

近年来，制造半导体器件使用的光刻法，已经逐渐移向更短的波长，因为装置特征在大小上收缩。借助特征大小收缩至亚微米、及亚0.1微米范围，半导体制造商不得不改变为使用紫外光，且在某些情况下使用软X射线光刻(或深UV)。例如，在248、193、和157nm范围发射光的准分子激光器，在半导体器件制造中的使用正逐渐增长。现代微光刻设备中的照明光源，如上面所指出，通常是可见光激光器、准分子激光器、或可能是软X射线光源。(“光”与“照明”两词将在本文可交换地使用，指任何用于光致抗蚀剂的电磁辐射)。这些波长的使用，是对半导体制造设备的设计人员的一种挑战，特别是用于准分子激光器光束聚焦和整形的光学部件。在本发明中，对248和193nm的光源，最好用熔融石英，而对157nm光源，通常要求用氟化钙或氟化钡制成的光学单元，以便有效地对光束聚焦和整形。

说明的实施例既用衍射的，也用反射的光学单元。然而，本领域一般人员应当清楚，反射表面的使用，常常取决于有关的工程和设计，而不取决于本发明的基本原理。因此，应当指出，在下面的说明中，反射(折叠)光学单元的使用，严格地说，是由于工程设计选择的需要，而为了实现本发明并不要求使用它们。

图1画出本发明一个优选实施例的基本配置。应当明白，在随后各图中，情况合适，尺寸是以毫米为单位的。

如在图1可见，本发明的本实施例，包括衍射光学单元101(DOE1)，它是由照明光源(未画出)照明的。

第一衍射光学单元101可以是通常任何用于产生衍射的单元，如2维球面微透镜阵列、Fresnel透镜、衍射光栅，等等。

从系统的透视图，如图1中所示，在第一衍射光学单元101之

后，光束的数值孔径接近0.065。

还可以从图1看到，在通过第一衍射光学单元101之后，光束接着照明变焦透镜102。在本实施例中，变焦透镜102是5x变焦球面透镜，焦距是221.5-1107.7mm。光束在该点的直径是180mm。该变焦透镜102还画在图6。本领域普通人员应当清楚，变焦透镜102能够按需要使用或多或少的单元(片)。下面举出一个例子(六单元设计)加以说明(以CODE V输出格式)：

             RDY          THI         GLA

＞OBJ：    INFINITY     INFINITY

STO：      INFINITY     8.000000

2：        -25.24705    5.000000     ′CaF2′

3：        55.68759     16.548834

4：        -48.92714    25.342815    ′CaF2′

ASP：

K：        1.779039   KC： 0

IC：       YES  CUF：0.000000  CCF：100

A：0.146865E-05 B ：0.705843E-08  C ：-.823569E-11  D ：0.127469E-13

AC：   0  BC：  0  CC： 0  DC： 0

5：    -36.472       194.914260

6：    170.18706     28.207990    ′CaF2′

7：    510.72551     17.527333

8：    141.82233     51.966932    ′CaF2′

9：    -277.74471    12.376464

ASP：

K：   -3.017335 KC： 0

IC：  YES  CUF：0.000000  CCF： 100

A：0.913504E-07   B：-.173047E-11   C ：-.291669E-15   D ：0.148478E-19

AC：0        BC：0          CC：0         DC：0

10：-297.59579        10.000000           ′CaF2′

11：143.26243           1101.010134

12：-352.19780          11.373314           ′CaF2′

13：-154.19122          187.731924ASP：K：-500.000000       KC：0IC：YES     CUF：0.000000      CCF：100A：-.125463E-05    B：0.451681E-09    C：-.724157E-13     D：0.418162E-17AC：0     BC：0     CC：0     DC：0IMG：INFINITY                0.000000SPECIFICATION DATA(规格数据)  EPD    27.66000  DIM    MM  WL     157.63  XAN    0.00000    0.00000    0.00000  YAN    0.00000    1.85600    3.71900  WTF    3.00000    2.00000    2.00000  VUY    0.00000    0.00000    0.00000  VLY    0.00000    0.00000    0.00000REFRACTIVE INDICES(折射率)  GLASS CODE    157.63  ′CaF2′      1.558739ZOOM DATA(变焦数据)

        POS 1      POS 2      POS 3  VUY F1    0.00000    0.00000    0.00000  VLY F1    0.00000    0.00000    0.00000  VUY F2    0.00000    0.00000    0.00000  VLY F2    0.00000    0.00000    0.00000  VUX F1    0.00000    0.00000    0.00000  VLX F1    0.00000    0.00000    0.00000

VUX F2    0.00000      0.00000    0.00000

VLX F2    0.00000      0.00000    0.00000

THI S5    194.91426    1.00000    1.00000

THC S5    0               0         0

THI S7    17.52733    86.68062    1.45028

THC S7    0               0         0

THI S9    12.37646    137.13744   222.36778

THC S9    0               0         0

           POS 1       POS 2      POS 3

INFINITE CONJUGATES(无限共轭)

EFL       221.5400     664.6200     1107.7000

BFL       164.6663     35.0875      11.1078

FFL       115.3771     610.2350     1583.8486

FNO       8.0094       24.0282      40.0470

IMG DIS   187.7319     187.7319     187.7319

OAL       1482.2681    1482.2681    1482.2681

PARAXLALIMAGE(近轴像)

HT       14.4001     43.2004     72.0006

ANG      3.7190      3.7190      3.7190

ENTRANCE PUPIL(入瞳)

DIA      27.6600     27.6600     27.6600

THI      0.0000      0.0000      0.0000

EXIT PUPIL(出瞳)

DIA      53.1110     30.1251     19.3446

THI      590.0538    758.9393    785.8026

STO DIA  27.6600     27.6600     27.6600

如图1中进一步指出的，在本实施例中可以用折叠(反射镜)103，通过折叠光路来控制并缩减整个设备的大小。如上面所指出，使用反射镜103是任选的，且一般取决于工程/设计的选择。

在被反射离开折叠反射镜103之后，光束接着照明旋转三棱镜104(工作直径170mm)。通过该旋转三棱镜104之后，光束有矩形的数值孔径，在Y方向为0.046-0.009，在X方向为0.053-0.011。

通过旋转三棱镜104之后，光束接着通过第二衍射单元(DOE2)105。该第二衍射单元105最好是二元衍射阵列。一个例子是柱面微透镜阵列。对该第二衍射单元105，规格如下：

相干长度，以mm为单位，X&Y：

248nm，时间上-无说明，空间上0.35×0.15

193nm，时间上-3，空间上0.6×0.085

X&Y光束发散角，mrad

248nm+/-3.5x+/-3.5

193nm+/-1x+/-1.75

光束大小(nm)，X&Y；6×16；20×20；12×32

在通过第二衍射阵列105之后，光束的数值孔径接近0.165×0.04。

然后，光束通过球面聚光器透镜106。在本实施例中，一种可用的聚光器透镜106，可以有如下特性：

         RDY            THI           GLA

＞OBJ    INFINITY      INFINITY

STO      INFINITY      75.000000

2：      323.84000     5.000000     ′CaF2′

3：      INFINITY      491.500000

4：     -145.94000     5.000000     ′CaF2′

5：      106.10000     278.500000

6：     -2090.20000    15.000000    ′CaF2′

7：     -196.34000     50.000000

IMG：    INFINITY      0.000000

在本实施例中，聚光器透镜106焦距为340mm(一般希望聚光器透镜106有300-400mm的焦距)，而照明直径是150-30mm。

在通过球面聚光器透镜之后，光束有可变焦的圆形数值孔径0.2125-0.043。然后，光束与限定器107(即光阑)相遇，使112×24mm的照明场变为108×22mm。限定器107在光学上，通过利用中继透镜108(例如1X中继，或3X-4X中继)，与掩模版109共轭。为设计的目的，可以把折叠110放在中继透镜108之内。对远心照明系统，光栏111放在中继透镜108的中心。

中继透镜108用于产生与掩模版109平面共轭的限定器107平面。1X中继透镜108的一个例子，在下面说明(注意，是10单元设计)：

       RDY          THI           GLA

＞OBJ：INFINITY     73.362171    AIR

1：    169.24669    15.000000    ′NCaF2′

ASP：

K：    -0.916442

IC：    YES      CUF：  0.000000

A：0.000000E+00  B：0.000000E+00  C：0.000000E+00  D：0.000000E+00

2：    297.03762    280.000000

3：    607.71047    32.530979    ′NCaF2′

4：    -296.65731   1.000000

CON：

K：    -2.313366

5：    172.28333     33.841572    ′NCaF2′

6：    4765.41367    1.000000      AIR

7：    129.90270     40.919042    ′NCaF2′

8：    103.26821     29.576441

9：    -306.34576    8.000000     ′NCaF2′

10：    162.90100    15.103930

STO     INFINITY     15.104002

12：    -162.90100    8.000000    ′NCaF2′

13：     306.34576     29.576441

14：    -103.26821     40.919042    ′NCaF2′

15：    -129.90270     1.000000

16：    -4765.41367    33.841572    ′NCaF2′

17：    -172.28333     1.000000

18：     296.65731     32.530979    ′NCaF2′

CON：

K：     -2.313366

19：    -607.71047     280.000000

20：    -297.03762     15.000000    ′NCaF2′

21：    -169.24669     73.362171

ASP：

K：    -0.916442

IC：    YES    CUF：  0.000000

A：0.000000E+00 B：0.000000E+00 C：0.000000E+00 D：0.000000E+00

IMG：           INFINITY        0.000000        AIR

XDE：0.000000  YDE              0.000000   ZDE    0.000000  DAR

ADE：0.000000  BDE              0.000000   CDE    0.000000

投影光学系统(未画出)把掩模版向下成像在半导体晶片上(通常像的大小缩小4x，成为26×5mm、17×5mm、或11×5mm)。

本领域一般人员应当清楚，在该系统中使用旋转三棱镜104，能改善系统的光学特性，但本发明不用它也可以工作。本领域一般人员同样应当清楚，旋转三棱镜104和第二衍射单元105的位置可以颠倒(即，旋转三棱镜104可以位于第二衍射单元105的下游)，虽然目前确信，图1所示排列是较好的。

图2更详细地画出照明系统光学单元的排列。特别是，图2画出变焦透镜102(按5单元设计画出)及其构成单元102a、102b、102c、102d、和102e。图2还画出聚光器透镜106的构成单元(这里画出的是4单元透镜)，及1x中继108(这里画出的是8单元设计)。图上还画出λ/4波片位置，还有掩模版(掩模)109，掩模版109通过中继透镜108，在光学上与限定器107的平面共轭。

图7是图1实施例的另一个图，表明一般在现实的微光刻系统中看到的另外的单元。在图1中的所有单元，都画在图7中，并用相同的参考数字。此外，图7还画出用于第二衍射光学单元105(也请参考图8)的变换器单元701。可以预料，为了获得不同的场的大小，必需使用有不同数值孔径的不同的衍射光学单元。因此，画在图7和图8中的变换器单元107，能够用于该目的。同样明显的是，如有必要，第一衍射光学单元101也可以用类似的变换器单元。

图7还画出动态可调整狭缝702，它是限定器107组件(亦见图9)的一部分。可调整狭缝702在U.S.Patent No.5,966,202中有进一步的说明，本文引用该专利，供参考。可调整狭缝702与场成帧组件704一起，保证在限定器平面有适当的光束大小，限定器平面与掩模版平面共轭。

图7还画出通光孔径组件703，该组件用作中继透镜中心的远心光阑。(亦见图10及U.S.Patent No.6,307,619，本文引用该专利，供参考)。

图7还画出λ/4波片112的位置，位于掩模版108平面之上和中继透镜108最后的光学单元(透镜)之下。

虽然本发明各优选实施例说明的系统，是用于离散的场大小曝光的(26×5mm、17×5mm、和11×5mm)，但期望该系统能做到有连续可变的场的大小。通过在光路中增加类似于第二衍射光学单元105的其他衍射光学单元，可以实现这一点。借助增加一个或多个该种单元(如附加的二元衍射阵列，或柱面微透镜阵列)，置于聚光器透镜和第二衍射光学单元之间，同时通过调整它沿光轴的位置，可以获得既有连续可变的部分相干性，又在晶片上有连续可变的场大小的微光刻系统。

投影光学系统(在各图中没有画出)的使用，本领域是熟知的，且通常是4x透镜，把落在晶片上的掩模版图像缩小。

下面说明另一个实施例，与之对应的图，使用相同的参考数字标记在图1实施例中相同的单元。

图3画出本发明另一个优选实施例的基本配置。如在图3所见，本发明的本实施例，包括衍射光学单元101，由照明光源(未画出)照明。

第一衍射光学单元(DOE1)101，可以是任何通常用于产生衍射的衍射或反射单元，如球面微透镜阵列、Fresnel透镜、衍射光栅、等等。在第一衍射光学单元101之后，光束的数值孔径接近0.065(圆形)。

从102还可以看到，通过DOE1 101之后的光，照明变焦透镜102。在本实施例中，变焦透镜102是5x变焦球面透镜，焦距为196-982mm。光束在该点的直径是135mm。在本实施例中，该变焦透镜102是5单元透镜。

在通过变焦透镜102并被反射离开折叠反射镜103之后，光束接着照明旋转三棱镜104。在通过旋转三棱镜104之后，光束有矩形的数值孔径，沿Y方向为0.46-0.009，沿X方向为0.053-0.011。

在通过旋转三棱镜104之后，光束接着通过第二衍射单元(DOE2)105(光束直径135mm)。第二衍射单元105最好是二元衍射阵列。一个例子是柱面微透镜阵列。通过第二衍射阵列105之后，光束的数值孔径变为0.2×0.04。

然后，光束通过聚光器透镜106。在本实施例中，聚光器透镜的焦距是300mm，而照明的直径是120-25mm。

在通过球面聚光器透镜之后，光束有可变焦圆形数值孔径0.2125-0.043。然后，光束落在限定器107(即光阑)上，使120×24mm的照明场变为108×20mm。限定器107通过利用中继透镜108，在光学上与掩模版111共轭。中继透镜108用于使限定器107的平面与掩模版的平面共轭。为设计的目的，可以把折叠110置于中继透镜108之内。对远心照明系统，光阑109放在中继透镜的中心。

投影光学系统(未画出)把掩模版111向下成像在半导体晶片上(通常像的大小缩小4x)。

本领域普通人员应当清楚，中继透镜对实现本发明不一定是必需的，因为掩模版与限定器的光学平面是相互共轭的。但是，在大多数实际系统中，由于受机械的约束，所以用中继透镜来保证掩模版平面上场的适当大小。

此外，显而易见，通过使用附加的第二衍射单元，其性质类似于前述第二衍射单元105，也可以使场的大小是连续的。另外，可以用更为复杂的变焦透镜，或使用第二变焦透镜，达到同一目的。

还有，显而易见，如果需要，本发明能提供甚至更低的部分相干性σ，如0.001。要达到该目的，需要使用一种更为复杂的变焦透镜(或多个变焦透镜)。

本领域熟练人员清楚，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种修改和变化。因此，应当认为，只要这些对本发明的修改和变化，是在后面权利要求书及其等价叙述范围之内，则本发明覆盖这些修改和变化。