一种光刻照明装置及曝光系统的制作方法

本实用新型实施例涉及光学设备技术，尤其涉及一种光刻照明装置及曝光系统。

背景技术：

半导体制造中的微光刻技术就是利用光学系统把掩模板上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上。

曝光系统包括光刻照明装置、掩模板、投影物镜以及用于精确对准硅片的工件台。光刻照明装置需要在掩膜面上提供均匀的矩形视场，然后通过投影物镜将掩模板上的图形投影到硅片上进行曝光。随着半导体产业的发展，对光刻技术的光刻照明装置的要求也在提高。光刻照明装置需要提供均匀的照明视场，此问题亟待解决。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种光刻照明装置及曝光系统，以实现提供均匀的照明视场。

第一方面，本实用新型实施例提供一种光刻照明装置，包括：同光轴设置并依次排列的第一衍射光学元件、变焦镜组、第二衍射光学元件、会聚镜组和匀光单元，所述光刻照明装置还包括位于匀光单元远离会聚镜组一侧的中继镜组；

经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形或者多边形；所述多边形的边数大于等于5。

可选地，所述变焦镜组的远离所述第一衍射光学元件一侧的焦平面为瞳面，所述第二衍射光学元件位于所述瞳面上。

可选地，所述匀光单元为石英棒。

可选地，所述匀光单元的受光面的形状为矩形，所述矩形沿第一方向的长边长度为a，所述矩形沿第二方向的短边长度为b。

可选地，沿所述第一方向上，经过所述第二衍射光学元件的光束的发散角θ1满足：沿所述第二方向上，经过所述第二衍射光学元件的光束的发散角θ2满足：其中，f为所述会聚镜组的焦距。

可选地，经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形；

经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布的远心为[-1,1]mrad，所述远心为主光线与光轴的夹角。

可选地，经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形；

被均分为i个角平面区域的光束的极平衡性为：

其中，Ei为角平面中第i区域的光强总和，max(E1，……，Ei)为i个区域中光强最大的一个区域的光强值，min(E1，……，Ei)为i个区域中光强最小的一个区域的光强值，i为大于1的正整数；

经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布的X极平衡性为0～3％，所述X极平衡性为沿所述第二方向被均分为两个角平面区域的光束的极平衡性。

可选地，经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形；

被均分为i个角平面区域的光束的极平衡性为：

其中，Ei为角平面中第i区域的光强总和，max(E1，……，Ei)为i个区域中光强最大的一个区域的光强值，min(E1，……，Ei)为i个区域中光强最小的一个区域的光强值，i为大于1的正整数；

经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布的Y极平衡性为0～3％，所述Y极平衡性为沿所述第一方向被均分为两个角平面区域的光束的极平衡性。

可选地，经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形；

被均分为i个角平面区域的光束的极平衡性为：

其中，Ei为角平面中第i区域的光强总和，max(E1，……，Ei)为i个区域中光强最大的一个区域的光强值，min(E1，……，Ei)为i个区域中光强最小的一个区域的光强值，i为大于1的正整数；

经过所述第二衍射光学元件的光束的远场分布的四象限极平衡性极为0～4％，所述四象限极平衡性为沿所述第一方向和所述第二方向被均分为四个角平面区域的光束的极平衡性。

第二方面，本实用新型实施例提供一种曝光系统，包括第一方面所述的光刻照明装置，所述曝光系统还包括掩模板、投影物镜和工件台；所述掩模板位于所述投影物镜与中继镜组之间，所述工件台位于所述投影物镜远离所述中继镜组一侧。

本实用新型实施例提供一种光刻照明装置，光刻照明装置包括第二衍射光学元件，第二衍射光学元件位于变焦镜组和汇聚镜组之间，第二衍射光学元件具有光线扩散特性或光线衍射特性，从而能够使光瞳更为均匀。不使用第二衍射光学元件时，照射到匀光单元的受光面上的光束尺寸比较小，能量比较集中，容易损伤匀光单元，因此本实用新型实施例中通过使用第二衍射光学元件，还能够防止入射到匀光单元上的光束对匀光单元造成伤害，提高了匀光单元的使用寿命。经过第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形或者多边形(多边形的边数大于等于5)，即，使用椭圆形或者多边形对匀光单元的受光面进行填充，填充度较高，从而使经过匀光单元后出射的光束具有较好的光瞳均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种光刻照明装置的结构示意图；

图2为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的一种平面示意图；

图3为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的另一种平面示意图；

图4为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的一种立体示意图；

图5为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的X极平衡性的示意图；

图6为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的Y极平衡性的示意图；

图7为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的四象限极平衡性的示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种曝光系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种光刻照明装置的结构示意图，图2为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的一种平面示意图，参考图1和图2，光刻照明装置包括：同光轴(光轴L1)设置并依次排列的第一衍射光学元件101、变焦镜组102、第二衍射光学元件103、会聚镜组104和匀光单元105，光刻照明装置还包括位于匀光单元105远离会聚镜组104一侧的中继镜组106。第一衍射光学元件101和第二衍射光学元件103上一般具有凹凸图案以呈现出所需要的扩散特性或衍射特性。第一衍射光学元件101和第二衍射光学元件103例如可以采用二维球面微透镜阵列、Fresnel透镜或者衍射光栅等。第一衍射光学元件101呈现出点对称的扩散特性，经过第一衍射光学元件101的光束的远场分布为圆形，经过变焦镜组102的光线形成的光瞳大小可以随着变焦镜组102的焦距变化而变化，也就是说，可以通过调节变焦镜组102的焦距来形成连续可变的光瞳，以满足不同的曝光需求。第二衍射光学元件103呈现出各向异性的扩散特性，经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布例如可以为椭圆形或多边形。经过第二衍射光学元件103的光束的远场在无穷远处，经过汇聚镜组104的汇聚后，经过第二衍射光学元件103的光束的远场位于汇聚镜组104的焦平面上，匀光单元105的受光面位于汇聚镜组104的焦平面上，经过第二衍射光学元件103的光束的远场形成于匀光单元105的受光面。参考图2，经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布为椭圆形(图2中虚线所示)。

图3为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的另一种平面示意图，参考图1和图3，经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布为多边形(图3中虚线所示)，多边形的边数大于等于5(图3中示例性地以八边形为例进行示意)。

本实用新型实施例提供一种光刻照明装置，光刻照明装置包括第二衍射光学元件，第二衍射光学元件位于变焦镜组和汇聚镜组之间，第二衍射光学元件具有光线扩散特性或光线衍射特性，从而能够使光瞳更为均匀。不使用第二衍射光学元件时，照射到匀光单元的受光面上的光束尺寸比较小，能量比较集中，容易损伤匀光单元，因此本实用新型实施例中通过使用第二衍射光学元件，还能够防止入射到匀光单元上的光束对匀光单元造成伤害，提高了匀光单元的使用寿命。经过第二衍射光学元件的光束的远场分布为椭圆形或者多边形(多边形的边数大于等于5)，即，使用椭圆形或者多边形对匀光单元的受光面进行填充，填充度较高，从而使经过匀光单元后出射的光束具有较好的光瞳均匀性。

可选地，参考图1，变焦镜组102的远离第一衍射光学元件101一侧的焦平面为瞳面，第二衍射光学元件103位于瞳面上。变焦镜组102的焦距变化导致照射到第二衍射光学元件103上的光瞳大小变化，由于第二衍射光学元件103位于瞳面上，因此照射到第二衍射光学元件103上的光瞳大小的变化不会影响第二衍射光学元件103的远场分布，即光瞳大小的变化不影响匀光单元105的受光面的填充度，从而使匀光单元105受光面具有稳定且较高的填充度，使经过匀光单元105后出射的光束具有较好的光瞳均匀性。匀光单元105的受光面的填充度为照射到匀光单元105上的光束面积与受光面的面积的比值。

可选地，参考图1，匀光单元105为石英棒。光线在石英棒中多次反射后在石英棒的出光面形成均匀照明区域，均匀照明作为中继镜组106的物面成像，在中继镜组106的像面形成具有一定远心及数值孔径的均匀照明视场。

可选地，参考图1和图2，匀光单元105的受光面的形状为矩形，矩形沿第一方向(X轴方向)的长边长度为a，矩形沿第二方向(Y轴方向)的短边长度为b。一般而言，掩模板的形状为矩形，因此可以设置匀光单元105的受光面以及出光面的形状为矩形，以便使匀光单元105的出光面照射到掩模板上的光束形状与掩模板的形状相适配。

图4为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的一种立体示意图，参考图1、图2和图4，匀光单元105的受光面的形状为矩形，矩形沿第一方向(X轴方向)的长边长度为a，矩形沿第二方向(Y轴方向)的短边长度为b。经过第二衍射光学元件103的光束被汇聚镜组104聚焦于匀光单元105的受光面上。沿第一方向(X轴方向)上，经过第二衍射光学元件103的光束的发散角θ1满足：f为会聚镜组104的焦距，则照射到匀光单元105的受光面上的光束沿第一方向(X轴方向)上可以抵达矩形的短边，示例性地，椭圆形与矩形的短边相切；沿第二方向(Y轴方向)上，经过第二衍射光学元件103的光束的发散角θ2满足：其中，f为会聚镜组104的焦距，则照射到匀光单元105的受光面上的光束沿第二方向(Y轴方向)上可以抵达矩形的长边，示例性地，椭圆形与矩形的长边相切。需要说明的是，建立的XY坐标系的观察方向为沿着光线传播方向。本实用新型实施例中，沿第一方向(X轴方向)上，经过第二衍射光学元件103的光束的发散角θ1满足：沿第二方向(Y轴方向)上，经过第二衍射光学元件103的光束的发散角θ2满足：从而使匀光单元105受光面具有较高的填充度，使经过匀光单元105后出射的光束具有较好的光瞳均匀性。

参考图1、图2和图4，在保证匀光单元105受光面具有较高的填充度的基础上，经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布为椭圆形是一种较为优选的填充方式。以下对于椭圆形的填充做进一步的介绍。

可选地，经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布的远心为[-1,1]mrad，远心为主光线与光轴的夹角，代表了主光线偏离光轴的程度。远心的数值越大，则主光线偏离光轴的程度越大；远心的数值越小，则主光线偏离光轴的程度越小。不设置第二衍射光学元件103时，光束的远场分布的远心为-1.71mrad，可见，设置第二衍射光学元件103可以减小主光线偏离光轴的程度，提高光刻照明装置的曝光质量。

被均分为i个角平面区域的光束的极平衡性为：

其中，Ei为角平面中第i区域的光强总和，max(E1，……，Ei)为i个区域中光强最大的一个区域的光强值，min(E1，……，Ei)为i个区域中光强最小的一个区域的光强值，i为大于1的正整数。

图5为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的X极平衡性的示意图，参考图1、图4和图5，X极平衡性为沿第二方向(Y轴方向)被均分为两个角平面区域的光束的极平衡性，两个区域分别被标记为左侧区域X-和右侧区域X+，则X极平衡性满足：经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布的X极平衡性为0～3％。

图6为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的Y极平衡性的示意图，参考图1、图4和图6，Y极平衡性为沿第一方向(X轴方向)被均分为两个角平面区域的光束的极平衡性，两个区域分别被标记为上侧区域Y+和下侧区域Y-，则Y极平衡性满足：经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布的Y极平衡性为0～3％。不设置第二衍射光学元件103时，光束的远场分布的Y极平衡性为4.6％，可见，设置第二衍射光学元件103可以使照射到匀光单元105受光面上的光束具有更好的Y极平衡性，也就是说，可以使照射到匀光单元105受光面上的光束的光强分布更为均匀。

图7为经过第二衍射光学元件的光束的远场分布的四象限极平衡性的示意图，参考图1、图4和图6，四象限极平衡性为沿第一方向(X轴方向)和第二方向(Y轴方向)被均分为四个角平面区域的光束的极平衡性，四个区域分别被标记为第一区域1、第二区域2、第三区域3和第四区域4，则四象限极平衡性满足：经过第二衍射光学元件103的光束的远场分布的四象限极平衡性为0～4％。不设置第二衍射光学元件103时，光束的远场分布的四象限极平衡性为5.6％，可见，设置第二衍射光学元件103可以使照射到匀光单元105受光面上的光束具有更好的四象限极平衡性，也就是说，可以使照射到匀光单元105受光面上的光束的光强分布更为均匀。

本实用新型实施例还提供一种曝光系统，图8为本实用新型实施例提供的一种曝光系统的结构示意图，参考图8，曝光系统包括上述任一实施例中的光刻照明装置，曝光系统还包括掩模板107、投影物镜108和工件台109。掩模板107位于投影物镜108与中继镜组106之间，工件台109位于投影物镜108远离中继镜组106一侧。投影物镜108的光轴L2与变焦镜组102的光轴L1相交于中继镜组106中，匀光单元105的出光面出射的光束沿光轴L1照射到中继镜组106，然后沿光轴L2出射并照射到掩模板107上，将掩模板107上的图形投影至位于工件台109的工件(图8中未示出)上，以实现对工件的曝光。由于曝光系统包括上述任一实施例中的光刻照明装置，因此具有上述光刻照明装置的相关优势，重复之处不再赘述。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。