專利名稱：光刻照明裝置及照明方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻設(shè)備的照明技術(shù)，特別是涉及基于空間光調(diào)制器的光刻設(shè) 備照明技術(shù)。
背景技術(shù)：
光刻法用于制造半導(dǎo)體器件。光刻法使用電磁輻射，如紫外(uv)、深uv 或可見光，在半導(dǎo)體器件設(shè)計中產(chǎn)生精細的圖。許多種半導(dǎo)體器件，如二極管、 三極管、和集成電路，能夠用光刻技術(shù)制作。
光刻曝光系統(tǒng)通常包括照明系統(tǒng)、含有電路圖的掩模版、投影系統(tǒng)、和用 于涂覆了光刻膠的硅片和硅片對準臺。照明系統(tǒng)照射掩模版電路圖，投影系統(tǒng) 把掩模版電路圖照明區(qū)域的像投射到晶片上。
在光刻中，對圖像質(zhì)量起關(guān)鍵作用的兩個因素是分辨率和焦深。所以既要 獲得更好的分辨率來形成關(guān)鍵尺寸的圖形，又要保持合適的焦深。離軸照明技 術(shù)可以提高焦深并且提高了分辨率。當今先進的光刻工藝要求使用離軸照明技 術(shù)，包括環(huán)形照明、雙極照明、四極照明等。通過合理的選擇與曝光圖案相匹 配的光瞳形狀可以最大限度的提高工藝窗口 ，這就要求照明系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)的 光瞳形貌。
中國專利CN1474235提供了一種光刻照明裝置，該裝置是采用衍射片、變 焦透鏡組、 一對凹凸互補的旋轉(zhuǎn)三棱鏡來產(chǎn)生連續(xù)可變的照明光瞳。這種方法 在改變照明光瞳形狀時可以不損失光能，效率高。其中衍射片是一種衍射光學(xué) 元件，它可以對入射的平行光進行相位調(diào)制，使光束偏折以在遠場形成所需諸 如二極、四極的照明光瞳形貌。專利CN1474235所述的書f射光學(xué)元件DOE可 以是微透鏡陣列、菲涅爾透鏡或衍射光柵。衍射片有一轉(zhuǎn)盤裝置，可以通過旋 轉(zhuǎn)更換不同的衍射片，衍射片有多種可供選擇，以產(chǎn)生傳統(tǒng)、四極和二極照明 等。
液晶空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator,筒稱SLM)是一種新型的衍射
光學(xué)元件，具有質(zhì)量小，功耗低、無機械惰性等特點，目前廣泛應(yīng)用在成像顯 示、光束分束、激光束整形、相千波前調(diào)制和相位調(diào)制等領(lǐng)域。電尋址液晶空 間光調(diào)制器，利用外電壓改變液晶分子指向達到控制液晶的雙折射，從而實現(xiàn) 對光波的調(diào)制作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于空間光調(diào)制器的光刻照明裝置及照明方 法，以實現(xiàn)提高響應(yīng)速度，產(chǎn)率，并且滿足了一些特殊光刻線條的需要。
為了達到上述的目的，本發(fā)明^是供一種光刻照明裝置，按光束傳播的方向
依次包括光源系統(tǒng)，用以產(chǎn)生照射光束；空間光調(diào)制系統(tǒng)，包括空間光調(diào)制 器和控制設(shè)備；勻光系統(tǒng)，用于控制照射光束；掩模；所述光源系統(tǒng)發(fā)出照射 光束，經(jīng)過所述空間光調(diào)制器、勻光系統(tǒng)，照射所述掩才莫。
該空間光調(diào)制器可以為透射式空間光調(diào)制器，可以為反射式空間光調(diào)制器， 也可以為其他類型的具有相位調(diào)制的空間光調(diào)制器。
該空間光調(diào)制器可以是液晶空間光調(diào)制器。該液晶空間光調(diào)制器可以包括 兩個以上獨立可尋址像素，每個該像素由單個分立元件構(gòu)成。該分立元件包括 電光材料層和有選擇的向電光材料施加電壓的電極。
該空間光調(diào)制器包括驅(qū)動裝置和控制計算機，該驅(qū)動裝置與控制計算機之 間可以進行實時通信。該控制計算機的優(yōu)化計算結(jié)果通過驅(qū)動裝置加載到該空 間光調(diào)制器的有效像素上。 '
該空間光調(diào)制器可以為離線控制，也可以為在線控制。
為達到上述目的，本發(fā)明提供了另一種光刻照明裝置，按光束傳播的方向 依次包括光源系統(tǒng)，用以產(chǎn)生照射光束；空間光調(diào)制系統(tǒng)，包括空間光調(diào)制 器和控制設(shè)備，用于產(chǎn)生光瞳；勻光系統(tǒng)，包括光瞳形狀控制元件、光束整形 元件和聚光元件；所述光源系統(tǒng)產(chǎn)生照射光束通過所述空間光調(diào)制系統(tǒng)形成光 瞳，并經(jīng)過所述光瞳形狀控制元件、光束整形元件和聚光元件成像。
其中，所述光瞳形狀控制元件包括變焦透鏡組和旋轉(zhuǎn)三棱鏡。所述光束 整形元件是微透鏡陣列或石英棒。
此外，本發(fā)明還提供一種光刻照明方法，包括如下步驟
(1) 根據(jù)掩才莫圖案確定最優(yōu)化的照明光瞳形貌；
(2) 依據(jù)優(yōu)化算法，優(yōu)化設(shè)計空間光調(diào)制器的每一像素的相位調(diào)制信息；
(3) 將優(yōu)化設(shè)計好的相位圖裝栽在空間調(diào)制器的控制單元；
(4) 控制單元將相位分布轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓，并尋址加到對應(yīng)的空間光調(diào)制 器的像素上；
(5) 衍射光線在變焦透鏡組出瞳產(chǎn)生所需的光瞳形貌。 本發(fā)明的基于空間光調(diào)制器的光刻照明裝置及照明方法采用SLM(液晶空
間光調(diào)制器)來衍射產(chǎn)生各種照明光瞳形貌。每個像素對光波相位的調(diào)制可通 過尋址電壓來進行控制，并且具有可編程控制的特點，可以利用優(yōu)化算法，優(yōu) 化設(shè)計SLM的相位值來產(chǎn)生任意的照明光瞳形貌。無需針對不同的照明模式來 離線設(shè)計衍射光學(xué)元件，無需設(shè)置機械轉(zhuǎn)盤，操作靈活，只需計算機編程進行 在線控制，具有較高的響應(yīng)速度，提高了產(chǎn)率。本發(fā)明可以提供更多的照明光 瞳形貌，滿足了一些特殊光刻線條的需要。本發(fā)明可靈活改變?nèi)肷涔獠ǖ钠?方向，在具有較大數(shù)值孔徑的浸液光刻系統(tǒng)中可提供偏振照明。


圖1是衍射光學(xué)元件DOE的原理示意圖2是空間光調(diào)制器SLM的原理示意圖3是空間光調(diào)制器的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)示意圖4是空間光調(diào)制器及其驅(qū)動裝置和控制計算機示意圖5是本發(fā)明的基于空間光調(diào)制器的照明裝置示意圖6是空間光調(diào)制器SLM和控制單元及控制計算機的控制流程圖。
附圖中1、激光器；2、擴束器；3、空間光調(diào)制器SLM; 301、空間光調(diào)
制器SLM; 302、控制計算機；4、變焦透鏡組；5、旋轉(zhuǎn)三棱鏡；6、微透鏡陣
列；7、聚光鏡；8、掩模。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與實施例進一步說明本發(fā)明。
現(xiàn)有技術(shù)的衍射光學(xué)元件DOE的原理示意圖如圖l所示，其中衍射片是一
種衍射光學(xué)元件，它可以對入射的平行光進行相位調(diào)制，使光束偏折以在遠場
形成所需諸如二極、四極的照明光瞳形貌。衍射光學(xué)元件DOE可以是二元光學(xué) 元件、菲涅爾透鏡或衍射光柵。衍射片有一轉(zhuǎn)盤裝置，可以通過旋轉(zhuǎn)更換不同 的衍射片，衍射片有多種可供選擇，以產(chǎn)生傳統(tǒng)、四極和二極照明等。
空間光調(diào)制器SLM對光波的調(diào)制原理如圖2所示，SLM的典型特征是它包 括多個獨立可尋址像素，每個^f象素由單個分立元件構(gòu)成，能夠用來調(diào)制入射其 上的光波的振幅和相位，并且至少一個像素元件包括一電光材料層以及用于有 選擇的向電光材料施加電壓的電極，從而改變它的雙折射。電光層的雙折射將 進一步引起光波的相位調(diào)制。
由于SLM可以方便的利用尋址電壓進行控制，這使得液晶空間光調(diào)制器成 為一種對光波進行可編程的控制器件。純相位電尋址空間光調(diào)制器可對光波相 位進行連續(xù)的調(diào)制，因此可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的衍射光學(xué)元件。目前市場上已有純相 位調(diào)制的液晶空間光調(diào)制器，如Boulder Nonlinear Systems公司的產(chǎn)品，它可以 實現(xiàn)0 - 2;r范圍內(nèi)的純相位調(diào)制。
SLM的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，它通常由一系列的像素組成，像素尺寸可以 控制在幾個微米量級。設(shè)SLM的某一像素透射函數(shù)為W )，其復(fù)數(shù)表示形式
為
<formula>formula see original document page 7</formula>( 1 )
式中卜ld, Ap為經(jīng)過調(diào)整器的相位變化，當卜| = 1時，調(diào)制器只對入射光波
的相位進行調(diào)制，稱為純相位調(diào)制。此時，調(diào)制后的光波強度不變，有利于光
束的光束能量集中及遠距離傳播。純相位電尋址的液晶空間光調(diào)制幾是利用驅(qū)
動電壓改變液晶分子指向來產(chǎn)生光程差，從而實現(xiàn)對入射光的相位調(diào)制，其光
程差可簡單表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>( 2)
式中 為非尋常光等效折射率，"。為尋常光折射率，j為衍射厚度?？梢詫?液晶空間光調(diào)制器看作一種可變相位光柵元件，通過對驅(qū)動電壓控制，來實現(xiàn) 對入射光波相位面的可編程控制， 一束單色平面波經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器后， 偏轉(zhuǎn)角度可以由光柵公式確定。
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
其中am是光束偏轉(zhuǎn)角，w為衍射級次，義是光波波長，A是空間周期長度。 對于SLM以"個像素為一個周期，單個像素尺寸為p，則A為，。
將液晶調(diào)制器整體看作一個相位掩模，當單位平面波經(jīng)過該相位掩模，遠 場光振幅分布和出射光波(剛離開相位掩模后的光波)有簡單的傅立葉變換對 應(yīng)關(guān)系設(shè)任意一個SLM像素點(f， 7)的相位為^>,77)，由整數(shù)(w，")表征的各衍
射級的復(fù)振幅
X(附，M) = jJexp[/Xs,/7)]exp[—y'2兀(附e + " ;X](fa5 ;7 ( 4 )
因為一個像素是用一個電壓驅(qū)動，所以任何一個像素內(nèi)的像素為常數(shù)，從
而有Ws,;;) = ,而不同的像素其相位值可以不相同，于是可以對相位進行離散 化的優(yōu)化設(shè)計，遠場光強度/(/ = ^)取決于每一個像素點的相位值，如何選取相 位氣,的值，使得用該相位值獲得的遠場衍射圖更加逼近所預(yù)期的圖形，是一個
優(yōu)化過程。即如何使得給定的正數(shù)H吏式(5)達到全局最小。
|W - =^ - ( 5 )
其中/為實際的衍射圖形，/^,w為期望的衍射圖形。
根據(jù)以上SLM作為相位調(diào)制衍射光學(xué)元件的原理描述，當所需的照明光曈 形貌為傳統(tǒng)、四極或環(huán)形時可以寫出所代表的/^,w值，從而依據(jù)方程(5)對
SLM的每個像素進行優(yōu)化設(shè)計。通過計算機控制的SLM器件可以實時的顯示出來。
圖5是本發(fā)明的照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，包括1、激光器，本實施例選用波 長為193nm的ArF激光器，同樣的，在其他實施方案中可選用高壓汞燈或產(chǎn)生 其他波長的激光器，2、擴束器，3、空間光調(diào)制器SLM301和控制計算機302， 4、變焦透鏡組，5、旋轉(zhuǎn)三棱鏡，6、微透鏡陣列，在其他實施方案中可選用石 英棒，7、聚光鏡，8、掩模。
由激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)過擴束系統(tǒng)2入射在空間光調(diào)制器SLM 301上， SLM由計算機302控制， 一方面計算機可以根據(jù)用戶所需的照明光瞳形貌，依 據(jù)優(yōu)化算法優(yōu)化SLM上的相位分布，另一方面，計算機可以通過接口控制SLM 上的相位，這樣SLM可以代替衍射片在遠場形成特定的照明光瞳分布(可以產(chǎn) 生諸如傳統(tǒng)、二極、四極等照明模式)；變焦透鏡組4具有可變焦距，這樣可使 SLM衍射的光在遠場形成可變大小的光瞳分布，以調(diào)節(jié)照明相干因子的大小，
旋轉(zhuǎn)三棱鏡5可以產(chǎn)生環(huán)形照明， 一個凸錐形透鏡可以沿光軸移動，通過變焦 透鏡組4和旋轉(zhuǎn)三棱鏡5的合適設(shè)置，就可以產(chǎn)生特定的照明光瞳形狀衍射 光學(xué)元件3用于產(chǎn)生特定的照明模式(圓形、環(huán)形、雙極、四極等)，連續(xù)變焦 透鏡組4用于改變照明系統(tǒng)光瞳截面的大小，兩個旋轉(zhuǎn)三棱鏡5用于調(diào)節(jié)光瞳 截面上內(nèi)環(huán)的大小。 '
對于SLM像素對光波相位調(diào)制的優(yōu)化由控制計算機來完成，并將優(yōu)化的結(jié) 果通過控制單元轉(zhuǎn)換給SLM。流行的優(yōu)化算法有很多，如模擬退火算法和遺傳 算法等，但是以上算法計算費時，只適合離線的精確設(shè)計相位。為了滿足實時 性的要求，需要選擇一種能夠快速收斂的優(yōu)化算法。G-S算法(Gerchberg-Saxton) 及其改進算法已在諸多領(lǐng)域取得成功，該算法有較好的快速收斂性。為了進一 步提高收斂速度，可采用將第一次反傅立葉變換后得到的相位值作為初始相位。
首先，將欲逼近的遠場圖像進行強度歸一化表示，開平方后求出其振幅(實數(shù) 值fWl )，然后進行一次反傅里葉變換求出相應(yīng)相位值作為相位初始值。將相位
初始值送到G-S算法中，開始傅立葉迭代。迭代算法先將相位值進行逐級次量 化而轉(zhuǎn)化成灰度數(shù)字圖像g(x),對該數(shù)字圖像進行傅立葉變換得到G(JQ ，對G(X) 的模值進行判斷，如果它與期望的強度圖像幅度F(x)滿足逼近條件，則程序退 出并輸出相位灰度圖，否則令G(X)的模值等于的模值而保持G(Z)的相位不 變，從而得到新的G(X)，下一步對其進行反傅立葉變換得到新的物空間圖像函 數(shù)g'(JC)，接下來將其相位保持不變而將其幅值置1，再進行相位階梯量化進入下 一次循環(huán)，直到得到滿意的相位值解。
計算機和SLM之間可以進行實時的通信，流程見圖6，具體步驟為對于 如圖3所示的SLM,該SLM由一些離散的點陣組成(該圖像為512x512或更 多，依據(jù)SLM的像素值)，根據(jù)如上文所述的優(yōu)化算法對圖像進行迭代優(yōu)化， 計算出其相位圖；將優(yōu)化后的相位圖裝栽到空間光調(diào)制器的控制單元，該控制 單元負責(zé)將相位灰度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓，并尋址加到對應(yīng)的SLM像素上；在均 勻的單色光激光束照射下，受到調(diào)制的光波面在遠場形成夫瑯和費衍射圖形。
上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定， 本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán) 利要求書的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種光刻照明裝置，按光束傳播的方向依次包括光源系統(tǒng)，用以產(chǎn)生照射光束；空間光調(diào)制系統(tǒng)，包括空間光調(diào)制器和控制設(shè)備；勻光系統(tǒng)，用于控制照射光束；掩模；其特征在于所述光源系統(tǒng)發(fā)出照射光束，經(jīng)過所述空間光調(diào)制器、勻光系統(tǒng)，照射所述掩模。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光刻照明裝置，其特征在于所述空間光調(diào)制器 是透射式空間光調(diào)制器，反射式空間光調(diào)制器，或其他類型的具有相位調(diào)制的 空間光調(diào)制器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光刻照明裝置，其特征在于所述空間光調(diào)制器 是液晶空間光調(diào)制器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光刻照明裝置，其特征在于所述液晶空間光調(diào) 制器包括兩個以上獨立可尋址像素，每個所述像素由單個分立元件構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光刻照明裝置，其特征在于所述分立元件包括 電光材料層和有選4奪的向電光材料施加電壓的電極。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光刻照明裝置，其特征在于所述控制設(shè)備包括 驅(qū)動裝置和控制計算機，所述驅(qū)動裝置與控制計算機之間可以進行實時通信。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光刻照明裝置，其特征在于所述控制計算機的 優(yōu)化計算結(jié)果通過驅(qū)動裝置加載到所述空間光調(diào)制器的有效^像素上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光刻照明裝置，其特征在于所述空間光調(diào) 制器為離線控制或在線控制。
9、 一種光刻照明裝置，按光束傳播的方向依次包括 光源系統(tǒng)，用以產(chǎn)生照射光束；空間光調(diào)制系統(tǒng)，包括空間光調(diào)制器和控制設(shè)備，用于產(chǎn)生鳥瞳； 勻光系統(tǒng)，包括光瞳形狀控制元件、光束整形元件和聚光元件； 其特征在于所述光源系統(tǒng)產(chǎn)生照射光束通過所述空間光調(diào)制系統(tǒng)形成 光瞳，并經(jīng)過所述光瞳形狀控制元件、光束整形元件和聚光元件成像。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光刻照明裝置，其特征在于所述光瞳形狀控 制元件包括變焦透鏡組和旋轉(zhuǎn)三棱鏡。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光刻照明裝置，其特征在于所述光束整形元 件是樣t透鏡陣列或石英棒。
12、 一種光刻照明方法，其特征在于，包括如下步驟(1) 根據(jù)掩模圖案確定最優(yōu)化的照明光瞳形貌；(2) 依據(jù)優(yōu)化算法，優(yōu)化設(shè)計空間光調(diào)制器的每一^f象素的相位調(diào)制信息； (3 )將優(yōu)化設(shè)計好的相位圖裝載在空間調(diào)制器的控制單元；(4) 控制單元將相位分布轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓，并尋址加到對應(yīng)的空間光調(diào)制 器的像素上；(5) 衍射光線在變焦透鏡組出瞳產(chǎn)生所需的光瞳形貌。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于空間光調(diào)制器的光刻照明裝置及照明方法，采用SLM(液晶空間光調(diào)制器)來衍射產(chǎn)生各種照明光瞳形貌。每個像素對光波相位的調(diào)制可通過尋址電壓來進行控制，并且具有可編程控制的特點，可以利用優(yōu)化算法，優(yōu)化設(shè)計SLM的相位值來產(chǎn)生任意的照明光瞳形貌。無需針對不同的照明模式來離線設(shè)計衍射光學(xué)元件，無需設(shè)置機械轉(zhuǎn)盤，操作靈活，只需計算機編程進行在線控制，具有較高的響應(yīng)速度，提高了產(chǎn)率。本發(fā)明可以提供更多的照明光瞳形貌，滿足了一些特殊光刻線條的需要。本發(fā)明可靈活改變?nèi)肷涔獠ǖ钠穹较?，在具有較大數(shù)值孔徑的浸液光刻系統(tǒng)中可提供偏振照明。
文檔編號G02F1/13GK101364048SQ200810042099
公開日2009年2月11日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者勇 郭 申請人:上海微電子裝備有限公司