照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机

摘要

本发明提供了一种照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机，包括用于出射照明光束的光源模块，用于接收并汇聚照明光束的汇聚模块及位于光源模块和汇聚模块之间光瞳调节模块，控制模块可以通过控制所述光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，由于所述光瞳调节模块的透过率随光束入射角的变化而变化，即可以改变光瞳面上不同位置的相对照度，从而补偿所述照明系统的光瞳椭圆度，提升CDU性能，并且，本发明可以根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度执行补偿，以使照明系统在其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求，提高了设备的可靠性，由于光瞳调节模块仅是在垂直于光轴的平面上转动，控制方便、结构简单且成本更低。

权利要求

1.一种照明系统，其特征在于，包括：光源模块，用于出射照明光束；

汇聚模块，用于接收并汇聚所述照明光束；

光瞳调节模块，位于所述光源模块及所述汇聚模块之间，且所述光瞳调节模块的透过率随光束入射角的变化而变化；

控制模块，控制所述光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，并补偿所述照明系统的光瞳椭圆度。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光瞳调节模块包括一透明平板及涂覆于所述透明平板表面的增透膜。

3.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光瞳调节模块位于所述汇聚模块的物面位置处。

4.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光源模块包括汞灯光源及椭球反射镜，所述汞灯光源位于所述椭球反射镜的任一焦点上。

5.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光源模块包括激光光源、扩束单元及光学衍射单元，所述扩束单元将所述激光光源出射的照明光束扩束准直后入射至所述光学衍射单元中，所述光学衍射单元将所述照明光束衍射后入射至所述汇聚模块中，以在所述照明系统的光瞳面上形成一设定形状的光瞳分布。

6.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述汇聚模块为2F光学模块、4F光学模块或6F光学模块。

7.如权利要求1或6所述的照明系统，其特征在于，所述汇聚模块的焦距可调，通过调节所述汇聚模块的焦距以改变所述汇聚模块的倍率，并改变所述照明系统的光瞳面上形成的光瞳分布的尺寸。

8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统还包括：匀光模块，位于所述汇聚模块的像面上，用于接收所述汇聚模块汇聚的照明光束并进行匀光，以形成均匀的照明视场；

中继模块，位于所述匀光模块的出光端，用于将所述照明视场放大。

9.一种光瞳椭圆度补偿方法，用于补偿如权利要求1‑8中任一项所述的照明系统的光瞳椭圆度，其特征在于，包括：

在所述照明系统的生命周期内不同阶段下获取所述照明系统当前的光瞳椭圆度；

根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度控制光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，以补偿所述照明系统的椭圆度，并使所述照明系统在其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求。

10.一种光刻机，其特征在于，包括如权利要求1‑8中任一项所述的照明系统。

说明书

照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机。

背景技术

[0002] 在现有的曝光工艺中，CDU(Critical Dimension Uniformity，线宽均匀性)是衡量曝光效果的一个重要因素，为了改善CDU，会考虑将CDU分解为H线条的线宽均匀性和V线
条的线宽均匀性，通过改善H线条与V线条的平均偏差(HV bias)来改善CDU，而光刻设备中
照明系统的光瞳椭圆度是影响HV bias的主要因素。

[0003] 光瞳椭圆度是指在照明系统的光瞳面上，X方向上和Y方向上的能量差异，随着光刻设备的使用，照明系统的性能也会出现衰减，从而导致照明系统的光瞳椭圆度出现劣化，
需要增加补偿控制手段，使照明系统的整个生命周期内的光瞳椭圆度都满足控制要求。但
现有的光瞳椭圆度补偿方式多为挡光的方式，也即在光瞳面上设置光学挡片以改变光瞳面
上的能量分布，此种方式对机械和控制要求较高，结构复杂且成本高。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机，以解决现有照明系统的光瞳椭圆度补偿方式控制要求较高、结构复杂等问题。

[0005] 为了达到上述目的，本发明提供了一种照明系统，包括：

[0006] 光源模块，用于出射照明光束；

[0007] 汇聚模块，用于接收并汇聚所述照明光束；

[0008] 光瞳调节模块，位于所述光源模块及所述汇聚模块之间，且所述光瞳调节模块的透过率随光束入射角的变化而变化；

[0009] 控制模块，控制所述光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，并补偿所述照明系统的光瞳椭圆度。

[0010] 可选的，所述光瞳调节模块包括一透明平板及涂覆于所述透明平板表面的增透膜。

[0011] 可选的，所述光瞳调节模块位于所述汇聚模块的物面位置处。

[0012] 可选的，所述光源模块包括汞灯光源及椭球反射镜，所述汞灯光源位于所述椭球反射镜的任一焦点上。

[0013] 可选的，所述光源模块包括激光光源、扩束单元及光学衍射单元，所述扩束单元将所述激光光源出射的照明光束扩束准直后入射至所述光学衍射单元中，所述光学衍射单元
将所述照明光束衍射后入射至所述汇聚模块中，以所述照明系统的光瞳面上形成一设定形
状的光瞳分布。

[0014] 可选的，所述汇聚模块为2F光学模块、4F光学模块或6F光学模块。

[0015] 可选的，所述汇聚模块的焦距可调，通过调节所述汇聚模块的焦距以改变所述汇聚模块的倍率，并改变所述照明系统的光瞳面上形成的光瞳分布的尺寸。

[0016] 可选的，所述照明系统还包括：

[0017] 匀光模块，位于所述汇聚模块的像面上，用于接收所述汇聚模块汇聚的照明光束并进行匀光，以形成均匀的照明视场；

[0018] 中继模块，位于所述匀光模块的出光端，用于将所述照明视场放大。

[0019] 本发明还提供了一种光瞳椭圆度补偿方法，用于补偿所述照明系统的光瞳椭圆度，包括：

[0020] 在所述照明系统的生命周期内不同阶段下获取所述照明系统当前的光瞳椭圆度；

[0021] 根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度控制光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，以补偿所述照明系统的椭圆度，并使所述照明系统在
其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求。

[0022] 本发明还提供了一种光刻机，包括所述的照明系统。

[0023] 在本发明提供的照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机中，包括用于出射照明光束的光源模块，用于接收并汇聚照明光束的汇聚模块及位于光源模块和汇聚模块之间光
瞳调节模块，控制模块可以通过控制所述光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变
所述照明光束的入射角，由于所述光瞳调节模块的透过率随光束入射角的变化而变化，即
可以改变光瞳面上不同位置的相对照度，从而补偿所述照明系统的光瞳椭圆度，提升CDU性
能，并且，本发明可以根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度执行补偿，以使照明系统在其生
命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求，提高了设备的可靠性，由于光瞳调节模块仅是在垂
直于光轴的平面上转动，控制方便、结构简单且成本更低。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例一提供的照明系统的简化光路示意图；

[0025] 图2为本发明实施例一提供的光瞳调节模块位于汇聚模块的物面上的示意图；

[0026] 图3为本发明实施例一提供的光瞳调节模块未位于汇聚模块的物面上的示意图；

[0027] 图4为本发明实施例一提供的一种光瞳调节模块的透过率与入射光束角度变化的关系图；

[0028] 图5a为本发明实施例一提供的图4中的光瞳调节模块平行于XY平面时光瞳面上的照度分布图；

[0029] 图5b为本发明实施例一提供的图4中的光瞳调节模块沿X轴倾斜12°时光瞳面上的照度分布图；

[0030] 图6为本发明实施例一提供的图4中的光瞳调节模块沿X轴的倾斜角度与光瞳椭圆度的关系曲线；

[0031] 图7为本发明实施例一提供的另一种光瞳调节模块的透过率与入射光束角度变化的关系图；

[0032] 图8a为本发明实施例一提供的图7中的光瞳调节模块沿X轴的倾斜角度与光瞳椭圆度的关系曲线；

[0033] 图8b为本发明实施例一提供的图7中的光瞳调节模块沿Y轴的倾斜角度与光瞳椭圆度的关系曲线；

[0034] 图9为本发明实施例提供的光瞳椭圆度补偿方法的流程图；

[0035] 图10为本发明实施例二提供的照明系统的简化光路示意图；

[0036] 其中，附图标记为：

[0037] 10‑光源模块；11‑激光光源；12‑扩束单元；13‑光学衍射单元；

[0038] 60‑光源模块；61‑汞灯光源；62‑椭球反射镜；

[0039] 20‑光瞳调节模块；

[0040] 30‑汇聚模块；L1‑第一傅里叶透镜；L2‑第二傅里叶透镜；P1‑物面；P2‑像面；S‑光瞳面；F‑焦距。

具体实施方式

[0041] 下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准
的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0042] 实施例一

[0043] 为了便于描述，本实施例以竖直向上为Y方向，垂直于纸面向内为X方向，水平向左为Z方向(同时Z方向也是光轴的方向)，建立XYZ三维坐标系，如图1所示，本实施例提供了一
种照明系统，其特征在于，包括：

[0044] 光源模块60，所述光源模块60包括汞灯光源61及椭球反射镜62，所述汞灯光源61位于所述椭球反射镜61的任一焦点上，所述汞灯光源61用于出射照明光束，所述椭球反射
镜62将所述照明光束反射并沿着光轴传递出去；

[0045] 汇聚模块30，所述汇聚模块30用于接收并汇聚所述照明光束；

[0046] 光瞳调节模块20，位于所述光源模块60及所述汇聚模块30之间，且所述光瞳调节模块20的透过率随光束入射角的变化而变化；

[0047] 控制模块(未示出)，用于控制所述光瞳调节模块20在XY平面上转动以改变所述照明光束的入射角，并补偿所述照明系统的光瞳椭圆度。

[0048] 具体的，如图2所示，本实施例中，所述汇聚模块30为4F光学模块，其包括沿着Z轴设置的第一傅里叶透镜L1和第二傅里叶透镜L2，所述第一傅里叶透镜L1和所述第二傅里叶
透镜L2的焦距均为F，且所述第一傅里叶透镜L1和所述第二傅里叶透镜L2之间的距离也为
F，所述汇聚模块30的物面P1与所述第一傅里叶透镜L1的中心轴之间的距离也为F，所述汇
聚模块30的像面P2与所述第二傅里叶透镜L2的中心轴之间的距离也为F，所以称为4F光学
模块。可以理解的是，所述照明系统的物像面的角度分布即是光瞳面(或频谱面)的位置分
布，所以通过改变物面不同角度的透过率，即可以改变光瞳面(或称为频谱面)不同位置的
相对照度，进一步改变光瞳面的椭圆度，而本实施例中，所述汇聚模块30的光瞳面S即为所
述照明系统的光瞳面。

[0049] 进一步，所述汇聚模块30的物面P1位于所述椭球反射镜61的出光端以便于接收照明光线，如图2所示，所述光瞳调节模块20位于所述汇聚模块30的物面P1处，以实现最佳的
调节效果，将所述汞灯光源61调节到目标光谱以出射的满足照明要求的照明光束(例如是
中心波长为365nm的照明光束)，然后通过控制模块控制所述光瞳调节模块20沿X轴和/或Y
轴转动，使所述光瞳调节模块20在XY平面上具有一倾斜度，由于所述光瞳调节模块20的透
过率随光束入射角的变化而变化，即可以改变所述光瞳面S上不同位置的相对照度(所述光
瞳面S上的能量分布)，从而补偿所述照明系统的光瞳椭圆度，提升CDU性能。例如，当所述光
瞳调节模块20绕着X轴转动后，物面沿着X轴出射的照明光束的透过率不会发生变化，而沿
着Y轴出射的照明光束的透过率就会被所述光瞳调节模块20所改变，从而使所述光瞳面S上
在X方向和Y方向上产生能量差异，进而改变了所述照明系统的光瞳椭圆度。

[0050] 可以理解的是，所述光瞳调节模块20并非只能位于所述汇聚模块30的物面P1上，如图3所示，所述光瞳调节模块20可以位于所述汇聚模块30的物面P1与所述第一傅里叶透
镜L1之间或者所述汇聚模块30与所述光源模块60之间的任意位置，均可以实现补偿光瞳椭
圆度的作用。

[0051] 进一步，本实施例中，所述汇聚模块30为4F光学模块，在其他实施例中，所述汇聚模块30还可以是2F光学模块(只有一个焦距为F的傅里叶透镜)或6F光学模块(有3个焦距为
F的傅里叶透镜)等，只要涉及物像面与光瞳面的相互转换的汇聚模块均可，此处不再一一
举例说明。

[0052] 本实施例中，所述光瞳调节模块20包括一透明平板及涂覆于所述透明平板表面的增透膜，所述增透膜与所述透明平板是两种折射率不同的介质，照明光束入射至所述光瞳
调节模块20上时会产生折射，并且当入射角度不同时，所述光瞳调节模块20的透过率也不
同，所以，当所述光瞳调节模块20平行于XY平面时，所述照明光束垂直入射，透过率最大，当
所述光瞳调节模块20沿着X轴和/或Y轴旋转时，所述照明光束的入射角度改变，所述光瞳调
节模块20的透过率也不同。并且，由于所述光瞳调节模块20涂覆了增透膜，其还具有滤光的
作用，或者也可以理解为，本实施例中的光瞳调节模块20采用了现有的带动滤光片，在对照
明光束的波长进行选择的同时还可以通过所述控制模块转动带动滤光片实现补偿光瞳椭
圆度的效果，可以无需在照明系统中增加其他的光学元件，结构简单且成本更低。

[0053] 进一步，如图1及图2所示，本实施例中的照明系统还包括匀光模块40及中继模块50，所述匀光模块40位于所述汇聚模块30的像面P2上，用于接收所述汇聚模块30汇聚的照
明光束并进行匀光，在所述匀光模块40的出光端形成均匀的照明视场，所述中继模块50位
于所述匀光模块40的出光端，用于将所述照明视场放大，并在中继像面，也就是照明像面形
成均匀性和视场范围均满足要求的照明视场。

[0054] 为了进一步说明所述光瞳调节模块20的补偿效果，本实施例提供了一种光瞳调节模块20的透过率与入射光束角度变化关系如图4所示，将所述光瞳调节模块20置于所述照
明系统中，如图5a所示，其为所述光瞳调节模块20平行于XY平面时(在XY平面上发生倾斜，
照明光束垂直入射)光瞳面上的照度分布，如图5b所示，其为所述光瞳调节模块20沿X轴倾
斜12°时光瞳面上的照度分布，通过对比图5a及图5b可见，当所述光瞳调节模块20沿X轴倾
斜12°时，所述照明系统的光瞳椭圆度更好(图5b中，光瞳面上X方向和Y方向上的照度分布
更均匀)。通过多次实验得到所述光瞳调节模块20沿X轴的倾斜角度与光瞳椭圆度的关系曲
线如图6所示，通过实验得到，采用如图4所示所述光瞳调节模块20时，所述光瞳调节模块20
沿X轴的倾斜13°时，所述照明系统的光瞳椭圆度可补偿8％左右。

[0055] 接下来，本实施例还提供了一种透过率与入射光束角度变化如图7所示的光瞳调节模块20，将所述光瞳调节模块20置于所述照明系统中，通过多次实验得到所述光瞳调节
模块20沿X轴的倾斜角度(Rx)与光瞳椭圆度的关系曲线如图8a所示，通过实验得到，采用如
图7所示所述光瞳调节模块20时，当所述光瞳调节模块20沿X轴倾斜1°时，所述照明系统的
光瞳椭圆度可补偿4％左右；所述光瞳调节模块20沿Y轴的倾斜角度(Ry)与光瞳椭圆度的关
系曲线如图8b所示，可见，采用如图7所示所述光瞳调节模块20时，所述光瞳调节模块20沿Y
轴的倾斜13°时，所述照明系统的光瞳椭圆度也可补偿4％左右。若所述光瞳椭圆度等于1
(光瞳面上X方向上的能量和Y方向上的能量相等)是最佳的光瞳椭圆度，若当前的光瞳椭圆
度小于1(光瞳面上X方向上的能量小于Y方向上的能量)或大于1(光瞳面上X方向上的能量
大于Y方向上的能量)时，可以相应的使所述光瞳调节模块20沿X轴倾斜或Y轴的倾斜，以使
光瞳椭圆度接近最佳的光瞳椭圆度。

[0056] 可以理解的是，所述光瞳调节模块20的透过率与入射光束角度变化关系还可以是其他类型，所述光瞳调节模块20在XY平面上转动一设定角度时补偿的程度也有无数多种，
在实际应用中，可以根据不同的情况选择在一平面玻璃上形成不同类型的介质膜(增透
膜)，从而使得所述光瞳调节模块20具有不同的透过率与入射光束角度变化关系。

[0057] 进一步，由于所述照明系统在使用一段时间之后，所述照明系统的性能也会出现衰减，从而导致照明系统的光瞳椭圆度出现劣化，例如光瞳椭圆度等于1是最佳的光瞳椭圆
度，光瞳椭圆度劣化为小于1或大于1，此时所述照明系统的CDU性能下降，基于此，如图9所
示，本实施例还提供了一种光瞳椭圆度补偿方法，用于补偿所述的照明系统的光瞳椭圆度，
包括：

[0058] 步骤S1：在所述照明系统的生命周期内不同阶段下获取所述照明系统当前的光瞳椭圆度；

[0059] 步骤S2：根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度控制光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，以补偿所述照明系统的椭圆度，并使所述照明
系统在其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求。

[0060] 具体的，在任何需要补偿光瞳椭圆度时均可执行所述光瞳椭圆度补偿方法，例如，所述照明系统当前的光瞳椭圆度劣化为小于1(光瞳面上X方向上的能量小于Y方向上的能
量)或大于1(光瞳面上X方向上的能量大于Y方向上的能量)时，则需要控制所述光瞳调节模
块在垂直于光轴的平面上转动，以使当前的光瞳椭圆度接近1，具体的旋转方向及旋转的角
度可以根据所述光瞳调节模块的透过率与入射光束角度变化关系确定。

[0061] 基于此，本实施例还提供了一种光刻机，包括所述照明系统。

[0062] 实施例二

[0063] 如图10所示，与实施例一的区别在于，本实施例中，光源模块10包括激光光源11、扩束单元12及光学衍射单元13，所述扩束单元12将所述激光光源出射的照明光束扩束准直
后入射至所述光学衍射单元13中，所述光学衍射单元将所述照明光束衍射后形成一定的角
度分布再入射至所述汇聚模块30中，并在所述汇聚模块30的光瞳面上形成一设定形状的光
瞳分布，例如，可以形成椭圆形的光瞳分布或环形的光瞳分布。本实施中，所述汇聚模块30
可以是固定焦距或可变焦距，当所述汇聚模块30的焦距可调时，可以通过调节所述汇聚模
块30的焦距以改变所述汇聚模块30的倍率，并改变所述汇聚模块30的光瞳面上形成的光瞳
分布的尺寸，这样一来，通过切换不同的光学衍射单元13和改变所述汇聚模块30的倍率，可
以得到不同尺寸、形状的光瞳分布，以满足更高精度的曝光需求。

[0064] 本实施例由于采用了所述激光光源11，相较于汞灯光源来说，激光光源的出射的照明光束的带宽更窄，能够使曝光的分辨率更高，并且减轻后续光路中的滤波负担。

[0065] 进一步，由于所述照明系统在使用一段时间之后，所述照明系统的性能也会出现衰减，从而导致照明系统的光瞳椭圆度出现劣化，例如光瞳椭圆度等于1是最佳的光瞳椭圆
度，光瞳椭圆度劣化为小于1或大于1，此时所述照明系统的CDU性能下降，基于此，如图9所
示，本实施例还提供了一种光瞳椭圆度补偿方法，用于补偿所述的照明系统的光瞳椭圆度，
包括：

[0066] 步骤S1：在所述照明系统的生命周期内不同阶段下获取所述照明系统当前的光瞳椭圆度；

[0067] 步骤S2：根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度控制光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上转动以改变所述照明光束的入射角，以补偿所述照明系统的椭圆度，并使所述照明
系统在其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求。

[0068] 具体的，在任何需要补偿光瞳椭圆度时均可执行所述光瞳椭圆度补偿方法，例如，所述照明系统当前的光瞳椭圆度劣化为小于1(光瞳面上X方向上的能量小于Y方向上的能
量)或大于1(光瞳面上X方向上的能量大于Y方向上的能量)时，则需要控制所述光瞳调节模
块在垂直于光轴的平面上转动，以使当前的光瞳椭圆度接近1，具体的旋转方向及旋转的角
度可以根据所述光瞳调节模块的透过率与入射光束角度变化关系确定。

[0069] 基于此，本实施例还提供了一种光刻机，包括所述照明系统。

[0070] 综上，在本发明实施例提供的照明系统、光瞳椭圆度补偿方法及光刻机中，包括用于出射照明光束的光源模块，用于接收并汇聚照明光束的汇聚模块及位于光源模块和汇聚
模块之间光瞳调节模块，控制模块可以通过控制所述光瞳调节模块在垂直于光轴的平面上
转动以改变所述照明光束的入射角，由于所述光瞳调节模块的透过率随光束入射角的变化
而变化，即可以改变光瞳面上不同位置的相对照度，从而补偿所述照明系统的光瞳椭圆度，
提升CDU性能，并且，本发明可以根据所述照明系统当前的光瞳椭圆度执行补偿，以使照明
系统在其生命周期内的光瞳椭圆度满足控制要求，提高了设备的可靠性，由于光瞳调节模
块仅是在垂直于光轴的平面上转动，控制方便、结构简单且成本更低。

[0071] 上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和
技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍
属于本发明的保护范围之内。