深紫外光刻照明系统扩束单元设计.

第３１卷第１１期２０１１年１１月光学学报Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１１深紫外光刻照明系统扩束单元设计赵阳巩岩张巍（）中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春１３００３３摘要在曝光线宽为９准分子激光光源发出的矩形截面光束，需要进行一维扩束，以获得光０ｎｍ的投影光刻机中，束整形单元所需的正方形截面分布。现有的这类扩束单元分别存在严重的相干散斑效应和严格的装调公差等不提出了多组元平行反射扩束镜组。通过求解各组元透射率值的线性方程组，得到若干种扩束单元结足。基于此，构，其中的四组元扩束单元每个组元只有一种透射率，有效降低了镀膜的工艺成本。分别从公差分析、系统透射率和出射光束均匀性等方面对各类扩束单元结构进行综合比较，并通过建模仿真，验证了设计的四组元扩束单元的而且出射光束较均匀，有利于提高照明均匀性。散斑效应和装调公差灵敏度都明显降低，关键词几何光学；照明系统设计；一维扩束单元；公差分析；准分子激光光源；单一透射率；时间相干性：／中图分类号Ｏ４３５．１文献标识码Ａｄｏｉ１０．３７８８ＡＯＳ２０１１３１．１１２２００４ＤｅｓｉｎｏｆＢｅａｍＥｘａｎｄｉｎＵｎｉｔｆｏｒＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎＳｓｔｅｍｏｆｇｐｇｙＤＵＶＬｉｔｈｏｒａｈｇｐｙＺｈａｏＹａｎｏｎＹａｎｈａｎＷｅｉＧＺｇｇｇ（ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＡｌｉｅｄＯｔｉｃｓ，ＣｈａｎｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＯｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｓｉｃｓ，ｙｙｆｐｐｐｇｆｐｙＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）ｙｆｇＡｂｓｔｒａｃｔｈｅｅｘｃｉｍｅｒｌａｓｅｒｂｅａｍｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｂｅｅｘａｎｄｅｄｉｎｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕａｒｅＴｐｑｑ，ｓｅｃｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｂｅａｍｓｈａｉｎｕｎｉｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｒｅｃｔａｎｕｌａｒｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｃｒｏｓｓ－－ｐｇｇｒｏｅｃｔｅｄｌａｓｅｒｓｏｕｒｃｅｆｏｒｌｉｔｈｏｒａｈｗｈｉｃｈｈｏｌｄｓ９０ｎｍｅｘｏｓｕｒｅｌｉｎｅｗｉｄｔｈ．Ｔｈｅｒｅｏｒｔｅｄｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｓｈａｖｅｐｊｇｐｙｐｐｐｇｔｈｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｓｅｒｉｏｕｓｓｅｃｋｌｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｈｅｒｅｎｃｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｉｃｔｔｏｌｅｒａｎｃｅｔｏａｌｉｎｍｅｎｔ．Ａｋｉｎｄｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｇｃｏｍｏｎｅｎｔａｒａｌｌｅｌｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｅｘａｎｄｅｒｉｓｒｏｏｓｅｄａｉｍｉｎａｔｔｈｅｓｈｏｒｔａｅｓａｂｏｖｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｓｕｃｈｂｅａｍｐｐｇｇｐｐｐ，ｗｕｎｉｔｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｃａｌｃｕｌａｔｉｎｌｉｎｅａｒｅｕａｔｉｏｎｓｅｔ．Ｏｎｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｈｉｃｈｉｓｃａｌｌｅｄｆｏｕｒｅｘａｎｄｉｎ－ｙｇｑｐｇ，ｃｏｍｏｎｅｎｔｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｈａｓｏｎｌｏｎｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｃｏａｔｉｎ．Ａｓｎｔｈｅｓｉｓｃｏｍａｒｉｓｏｎｉｓｐｐｇｙｙｇｙｐ，ｅｘｅｃｕｔｅｄａｔｔｈｅａｓｅｃｔｓｏｆｔｏｌｅｒａｎｃｅａｎａｌｓｉｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｉｔｉｅｓｏｆｏｕｔｕｔｂｅａｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｔｏｐｙｐｇ，ｒｏｖｅｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｈｅｄｅｓｉｎｅｄｆｏｕｒｃｏｍｏｎｅｎｔｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｉｓｔｏｂｅａｎｏｔｉｍａｌｓｃｈｅｍｅｂｔｈｅ－ｐｇｐｐｇｐｙ，ｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｓｅｃｋｌｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｔｏｌｅｒａｎｃｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅｈｅｈｏｍｏｅｎｅｉｔｏｆｏｕｔｕｔｂｅａｍｉｓｅｖｉｄｅｎｔｐｙｇｙｐ，ｉｍｒｏｖｅｄｗｈｉｃｈｉｓｆａｖｏｒａｂｌｅｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｓｔｅｍ．ｐｙｙ；ｉ；ｏ；ｔＫｅｗｏｒｄｓｇｅｏｍｅｔｒｉｃｏｔｉｃｓｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｓｔｅｍｄｅｓｉｎｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｏｌｅｒａｎｃｅ－－ｐｙｇｐｇｙ；；；ａｎａｌｓｉｓｅｘｃｉｍｅｒｌａｓｅｒｓｏｕｒｃｅｓｉｎｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｔｅｍｏｒａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｙｇｙｐＯＣＩＳｃｏｄｅｓ８０．２２０８；０８０．２７４０；０８０．４０３５；０８０．４２９８０１引言深紫外透射式投影光刻机是目前用于加工曝光线宽为９０、６５、４５乃至３２ｎｍ的极大规模集成电路芯片的主流设备。这类光刻机最核心的部件是投影该系统又分为照明系统和投影物镜曝光光学系统，两个主要组成部分。照明系统的作用是为整个掩模；收到修改稿日期：２０１１０４２１２０１１０５１９收稿日期：－－－－）基金项目：国家自然科学基金（资助课题。４０９７４１１０控制曝光剂量和实现离轴照面提供高均匀性照明、１，２］。明模式，以提高光刻系统分辨率和增大焦深［照明系统主要由扩束单元、光束传输单元、能量监测和控制单元、光束整形单元、匀光单元、可变光阑狭缝单元和照明物镜组成。本文的研究对象是曝光线宽为９０ｎｍ的投影，：作者简介：赵阳（男，助理研究员，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅ－ｍ１９８２—）ａｉｌｕｖｅｎｔｕｓｘｘ２６．ｃｏｍ－＠１ｊ１１２２００４－光学学报光刻机，照明光源使用准分子激光器，该光源的特点是发出的光束截面是１２ｍｍ×２ｍｍ的矩形。为了要求入提高照明系统中光束整形单元的整形效率，射其上的光束截面为正方形，因此首先要用一维扩束单元将激光光束调整为正方形对称截面。可以分别采用物理光学或几何光学方法设计扩束单元。前３～５］；者使用衍射元件，能够精确控制光束分布［后者中心波长为带宽为０１９３．３６８ｎｍ，．７ｐｍ。使用折射或反射光学元件，相对于前者，加工难度明６，７］。因此本文用几何光学方法对扩束单元显降低［进行设计与讨论。基于该方法的常用一维扩束单元的结构形式主要有两种：透射式柱面镜组和反射式渐变透射率板。柱面镜组的优点是可以实现任意扩束比，结构简单，装调容易；但这种扩束结构不仅不反而增加了空间相干能削弱光源的时间相干特性，性，以致扩束后的光束在经过匀光单元叠加时会发产生散斑效应，影响照明系统均匀性生干涉，［８］图１准分子激光光源截面光强分布Ｆｉ．１ＩｎｔｅｎｓｉｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｅｘｃｉｍｅｒｌａｓｅｒｇｙａｔＸａｎｄＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｓｏｕｒｃｅ。渐变透射率板则通过减小时间相干性而削弱了散斑效应，但其结构复杂，对镀膜和装调提出了严格的要增加了成本。求，基于上述两种结构的不足，本文将渐变透射率板分解并沿纵向延伸，设计了多组元平行反射扩束镜组结构。将每个组元的透射率用矩阵元素的形式表示，建立线性方程组，用待定系数法求解各组元的透射率，理论计算得到两种合理的扩束单元结构形式。通过对各种扩束单元的公差灵敏度、系统效率、输出光束均匀性等方面的比较选择最佳结构。仿真实验结果表明，设计的四组元扩束镜组的出射光束有效地降低了照明光束的干涉散斑均匀性为３０％，效应，同时装调难度明显减小。此外，增大ＮＡ也可以提高分辨率，但焦深却因此减小。为了在满足分辨力要求的同时增大焦发展了离轴照明技术。光束整形单元能够实现深，离轴照明模式，同时要求该单元的入射光束截面为１２］。正方形［１３，１４］一种是柱面镜组扩束单元［原理如图２所示。该单元由负正光焦度柱面镜组组成。镜组的１５］，共轴结构使得装调简便。根据光学扩展量定义［当光束口径增大时其发散角减小，根据空间相干长度Ｘｓ和发散角θ的反比例关系（）Ｘｓ＝，２θ可知扩束的结果增加了出射光束的空间相干性。同时由于光源带宽窄，增加了光束的时间相干性。这两种相干性使照明光束在经过匀光单元叠加时产生明显的干涉散斑效应。２深紫外光刻照明光源扩束方法照明系统扩束单元的输入、输出光束截面之所以要求是矩形和正方形，是由光刻系统分辨力决定９］的。分辨力Ｒ可由瑞利公式表示为［，（）Ｒ＝ｋ１１ＮＡ式中ｋＮＡ是投影物镜像λ是曝光波长，１是工艺因子，）式可知λ越短，分辨力越高，方数值孔径。由（使用１波长为１９３ｎｍ的深紫外波段准分子激光足以满足［０］。选用Ｇ９０ｎｍ光刻分辨力的要求１ｉａｈｏｔｏｎ公司ｇｐ［１］，光束截面如图１的ＧＴ４０Ａ型ＡｒＦ准分子激光器１图２柱面镜组扩束单元Ｆｉ．２Ｃｌｉｎｄｒｉｃａｌｌｅｎｓｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｇｙｐｇ文献［提出采用渐变透射率板实现一维扩１６］束，同时减少散斑效应，原理如图３所示。Ｍ１为全“反射镜，渐变透射率”的含义Ｍ２为渐变透射率板，，是Ｍ２上光线顺序照射的不同子单元（如ａ的透ｂ）射率值呈阶梯状依次递减。Ｍ１和Ｍ２严格平行，且均与竖直方向成角。该结构的扩束原理如下：光所示，尺寸为１可知所需的扩束倍率为２ｍｍ×２ｍｍ，。Ｘ方向光强近似为高斯分布，６Ｙ方向光强近似为。光源平顶分布，对应发散角为２．５ｍｒａｄ×１．５ｍｒａｄ１１２２００４－赵阳等：深紫外光刻照明系统扩束单元设计，源发出的矩形光束首先经过子单元ａ发生透射和反射，透射光束称为第一子光束，反射光束经过Ｍ１全部反射到Ｍ２上的ａ的相邻子单元ｂ，再次发生透射和反射，其中的透射光束称为第二子光束，而反射光束在Ｍ１、各相邻出射子光束Ｍ２之间依次传播，拼接实现一维扩束。设定Ｍ１和Ｍ２之间的距离大于光束相干长度的一半，即各出射子光束之间没有时间相干性。该装置通过子光束拼接原理实现扩光束尺寸本身没有被放大，空间相干性没有增束，加，因此有效地减小了干涉散斑效应。（和反射（时使用了两次，因此增加了同一１－ττｉｉｊ）ｊ）种透射率的利用率，可以减小不同透射率膜层的数量。图４多组元平行反射扩束单元Ｆｉ．４Ｍｕｌｔｉｃｏｍｏｎｅｎｔｓａｒａｌｌｅｌｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｂｅａｍ－ｇｐｐｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔｐｇ３．１各组元间隔计算各组元的间隔是由时间相干长度决定的。时间相干长度计算公式为图３渐变透射率板扩束单元Ｆｉ．３Ｇｒａｄｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｌａｔｅｓｂｅａｍｅｘａｎｄｉｎｕｎｉｔ－ｇｙｐｐｇ２珔（）ｌ＝，３Δλ珔为平均波长，式中λ经加权计算后等于中心波长；这种扩束单元的不足体现在加工和装调方面：、为使各出射子光束光强一致，需要在ａｂ等子单元表面镀不同透射率膜层。镀膜方法有两种：一种是采用蒸汽沉积的方法在Ｍ２整块板上镀不同透射率１７，１８］，的膜层［这种工艺对镀膜区域的位置精度要求）式计算得ｌ设计时必３＝５３．４ｍｍ，Δλ为带宽。由（。须保证两个相邻出射光束的光程差大于ｌ设各组元间隔相同且由ｄ表示，入射光束与Ｘ方向夹角为β，入射光束口径为ａ。由几何关系可知（）ｄ＝．４２ｓｉｎβ光束经过两个组元产生的光程差ｅ为（）．５ｃｏｓβ，）（）将（式、式联立，得到ｅ≥ｌ４５已知ａ＝２ｍｍ，舍去负值解，求得ｄ≥关于ｄ的一元四次方程，高，耗时长，成本也大大增加。另一种方法是将Ｍ２拆分成各子单元，分别镀膜，再拼接成Ｍ２，这样简却增加了拼接装调的工作量。这两化了镀膜工艺，种方法实现起来都有一定难度。ｅ＝２ｓ＝３多组元平行反射扩束镜组设计为了降低渐变透射率板镀膜和拼接装调的难度，提出了多组元平行反射扩束镜组。图４为该镜组的设计原理图，其基本设计思想是在上述渐变透射率板结构的基础上，新增加若干个对光束既反射又透射的组元，并沿Ｘ方向平行排列，如图４中的规定从光束入射方向将第ｉＭ３、Ｍ４。为方便讨论，，个组元对应为矩阵的第ｉ行（将光束在每１≤ｉ≤Ｉ）个组元上的照射区域划分成Ｊ个子单元，每个照射区域称为一个单元，设第ｉ行第ｊ单元的透射率为。与渐变透射率板相比，该装置由于同１≤τｊ≤Ｊ）ｉｊ（时利用各组元的反射和透射，即一种透射率在透射否则会使倾角很２６．６８ｍｍ。注意ｄ不可取得过大，小，增加了对调整精度的要