照明光瞳调制技术研究

高爱梅，盛乃援

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

照明系统是投影光刻机的核心部件，主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现离轴照明模式。照明系统的均匀性直接影响全视场范围内的曝光图形质量，随着线条分辨率的不断提高，催生了离轴照明的出现。离轴照明的原理就是对照明光瞳进行空间调制，从而改变照明模式，使得更高级次的衍射光参与成像，有效提升曝光分辨率，同时增大焦深。本文介绍了光刻机照明系统的组成和功能，重点对光瞳调制技术展开研究，分析了不同技术方案的特点和应用场景。

1 光刻照明系统

1.1 照明方式

经典的照明方式分为两类：阿贝照明和科勒照明[1]。阿贝照明又称临界照明，聚光镜将光源直接成像到照明物面上，其原理如图1所示。光源的不均匀性会影响到照明物面的均匀性。

图1 阿贝照明原理

科勒照明克服了阿贝照明中照明物面受光源不均匀性影响的不足，其原理如图2所示，紧靠集光镜的位置放置视场光阑，光源与聚光镜的前焦面共轭，视场光阑与物面共轭。视场光阑与光源之间没有物像关系，因此视场光阑处的光强均匀性优于光源，物面上也会获得更佳的光强均匀性。此外，孔径光阑决定了照明系统的孔径角，视场光阑决定了曝光视场的大小，两个光阑分别可调。通过改变孔径光阑（光瞳）的形状，可以实现照明模式的切换。光刻机中的照明系统一般采用科勒照明方式。

图2 科勒照明原理

1.2 照明系统组成

光刻机的照明系统如图3所示，主要包括光源、光瞳调制单元、匀光单元、狭缝单元和中继镜组。

图3 光刻机照明系统

其中采用的光源主要有两类，汞灯和激光器，根据光源类型的不同，光束的准直聚焦、光源开关及衰减方案设计不同。光瞳调制单元用于照明模式的调节，光瞳调制有多种实现方式，其中变焦组实现大小相干因子调节，通过正负锥镜组的间距调节实现环形照明，DOE（diffraction optics element）元件的应用可产生二极、四极照明，数字微镜阵列的应用能够实现光瞳任意形状的调制。匀光单元的目的是对光强分布进行匀化，常用的元件有微透镜和石英匀光棒。如图4所示，微透镜是通过一组紧密排布的复眼阵列，对光束进行微切割后的重组而实现匀光。如图5所示，匀光棒是利用了光在介质里的全反射原理实现匀光。狭缝单元设置在一次照明面，通过XY两个方向的刀口运动实现对照明视场的控制，中继镜组是对一次照明面的光束进行中继放大，成像到掩模面。

图4 微透镜匀光原理

图5 石英棒匀光原理

2 光瞳调制功能

2.1 光瞳评价参数

（1）相干因子

部分相干光源介于相干与非相干光源之间，是一类具有小发散角度的扩展光源，光刻机上普遍应用的是部分相干照明。部分相干光源的相干性由相干因子σ衡量，照明系统的相干性对成像分辨率有直接影响，相干因子[2]是照明光瞳的主要设置参数，相干因子定义如图6所示，表达公式如下：

图6 相干因子定义

其中，r为照明光源在物镜孔径处所成像的大小，R为物镜半孔径。

σ=0为相干照明；σ≥1为非相干照明；0＜σ＜1为部分相干照明。

σ值小对应高相干性，照明时能够得到最佳的成像图形结构信息，但成像光束干涉使得边缘处产生光强振荡。σ值大时照明光束相干性弱会使边缘圆滑，造成成像对比度下降。光刻机的应用要求照明光束相干性高以保证高对比度，σ通常取值0.4～0.8。

从相干因子的测量角度出发，对其有另外一种定义方式，对传统照明σout=r/R，R为光瞳半径，r定义为光瞳面内闭环能量为总能量90%时对应的半径。对环形照明，则σin与σout分别为在物镜光瞳面内闭环能量为总能量的10%和90%时对应的相干因子，其定义如图7所示。

图7 内外相干因子

（2）光瞳平衡性

光瞳平衡性描述了光瞳能量分布的对称性，包括X极平衡、Y极平衡、四极极平衡和椭圆度，定义如表1所示。光瞳平衡性影响曝光图形不同方向线宽的一致性，因此设计中需要控制光瞳平衡性指标。

表1 光瞳平衡性定义

2.2 光瞳调制目的

曝光分辨率和可用焦深是光刻机的2大核心指标，分辨率直接决定了曝光线条的精细程度，焦深提供了允许的焦面偏移范围。通过光瞳调制可以实现提高分辨率的同时增大焦深。

（1）提高成像分辨率

分辨率R=k1λ/NA，焦深DOF=k2λ/NA2，其中λ为曝光波长，k1和k2为工艺因子，NA为投影物镜数值孔径[1]。理论上提高分辨率的方法是减小k1和λ，增大NA，但通过λ和NA提高分辨率时焦深随之变小。根据衍射理论，k1的取值与部分相干照明因子相关。部分相干照明是若干个相干照明的组合，轴上点相当于相干照明，轴外点的衍射零级光偏离光轴，对扩展光源的所有点，得到的衍射模式是每个点单独作用之和。

当线宽大于极限分辨率R时，照明相干度越大，对比度越高；当线宽小于极限分辨率R时，完全相干光的高级次衍射光不能进入光学系统，对比度为零[1]。如图8所示，展示了传统照明和环形照明在光瞳面的光束分布，相同NA下，环形照明模式会有更多级次的衍射光参与成像，从而提高分辨率。实现原理是通过离轴照明改变光瞳能量分布，此时衍射零级光偏离主光轴，虽然-1级衍射光可能完全偏离出系统，但0级和+1级衍射光能参与成像，此时曝光分辨率可以高于相干照明时的极限R=0.5λ/NA。

图8 传统/环形照明示意

（2）增大焦深

离轴照明的另一个重要作用是增大DOF[3]。针对理想物镜简化为3束光成像，焦面偏离时使0级光和1级光之间产生了光程差，光程差的表达式为ΔL=Δf（sinθ）2，θ为孔径角，随着离焦量Δf增大，光程差ΔL也变大，物镜像质变差。当离轴光束倾斜入射到掩模面上时，光程差表达式为ΔL=Δf（sin（θ-θi））2，θi为倾斜角度，在θ=θi时，0级和1级衍射光以相同的光程传播，光程差为零，不改变波前属性，与离焦量无关。虽然实际设计中很难做到θ=θi，由此定性的分析，引入离轴倾斜照明可以增大焦深，光瞳与焦深之间关系的分析本文不做展开。

3 光瞳调制方案

3.1 空间光阑滤波

空间光阑滤波是一种简单低成本的光瞳调制方式，在照明光瞳处设置一组光阑挡片来改变光瞳形状，一般包括不同通光孔径的传统和环形模式，光阑采用金属薄板切割而成，如图9所示。应用中根据工艺需求旋转转盘，实现光阑的切换。该方法设计和实现方式简单，但光能损失大，只能实现固定几档的切换，早期的投影光刻机常采用这种光瞳调制方式。

图9 空间光阑滤波

3.2 变焦镜组整形

变焦镜组通过2组可动镜片的轴向运动，对光束的直径和角度进行调节，实现在传统照明模式下σ连续可调。变倍比覆盖σ调节范围，σ的调节精度与变焦执行机构的精度相关。

3.3 轴锥镜组整形

轴锥镜组通常由一对正负锥镜组成，通过调节正负锥镜的轴向距离而改变光束折射角度，实现不同内外环σ的环形照明模式设置。如图10所示，轴锥镜的特点是产生的环形照明环宽度始终等于a。随着d的变化连续调节σ。为避免光线从轴锥镜出射时产生全反射，锥角θ应小于临界角。θ越小，光线入射到轴锥镜的角度越小，透射效率越高，但要得到同样的σ值，d的移动量也要增大。

图10 轴锥镜整形原理

通过轴锥镜进行光瞳整形时，内、外环半径b和a+b只能按照环宽a不变的规律变化，限制了σ的取值，且随着d增加，出射光束直径变大，使后续匀光单元尺寸增大[1]。因此，轴锥镜一般与变焦镜组合使用，如图11所示，通过变焦镜对光束直径a和发散角度调节，匹配轴锥镜的口径和调节范围，共同完成传统照明和环形照明的σ连续可调，同时控制了照明系统口径。目前常用的i线光刻机大多采用变焦+轴锥镜组合的方式实现光瞳调制。

图11 变焦+锥镜

3.4 DOE光瞳调制

DOE是基于光的衍射理论而设计，采用电子束直写、离子束刻蚀等工艺在基片上刻蚀产生多台阶的浮雕型结构，具有高衍射效率的一类光学元件。DOE一般分为连续型浮雕和多台阶离散型浮雕两种，连续型浮雕结构可以由相位量化的多台阶型离散浮雕结构逼近得到。DOE上每个子单元的位相台阶结构对光波位相进行调制，从而产生所需的衍射图形。设计中采样子单元尺寸的选取要符合抽样定理，以保证相邻频谱区域不会重叠，得到光波波面的准确重建。评价DOE性能的主要指标是照明效率η，以及仿真输出光强分布与理想光强分布的均方根误差RMS。常见的几种通过DOE元件实现的光瞳类型如图12所示。

DOE光瞳调制的不足之处在于每个DOE元件只能实现一种照明模式，不能对σ进行连续调节。将DOE与轴锥镜组和变倍镜组组合使用，既提高了对光强分布的控制能力，又能够实现σ在要求范围内任意调节。如图12所示的照明模式，通过轴锥镜组和变倍镜组调节，可以改变内外环的尺寸。不同DOE元件安装在图9所示的转盘上，根据工艺需求切换使用。DOE元件的设计和加工难度较大，一般应用在130 nm以上节点的光刻设备中，可以提高工艺窗口，满足特殊工况需求。

图12 DOE光瞳调制类型

3.5 数字微镜阵列调制

数字微镜器件（Digital micro-mirror device，DMD）是一种光电机械相结合的光电器件。是采用MEMS工艺制作的铝制反射镜阵列，DMD芯片上每个微镜片都是独立且可在一定角度内进行翻转的。微镜片通过通孔和下一层铰链相连，电极用来在特定位置保持并控制微镜角度，进而引起对光束偏转，实现光束空间调制功能。其芯片结构如图13所示[4]。

图13 数字微镜芯片结构

目前，DMD技术被广泛应用到数字掩模光刻中，不需要制作光学掩模版，而是通过DMD器件的光调制技术控制光束按需要的图形照射到硅片面，实现无掩模曝光。数字微镜是一种反射式显示器件，由数百万个集成到内存芯片上微米级平方大小的微镜片排列而成，微镜片可实现在某一方向光路中选择性的反射光线，从而实现了该光路的开关控制，可看成是在某一特殊角度的光开关。控制光开关的占空比来控制每个镜片反光时间的长短，从而改变出射光强度。

被称为Flexray的光瞳调制技术与数字微镜器件进行光空间调制的原理类似，通过MEMS控制的一组二维分布的微反射镜阵列在一定范围内的任意角度可调，实现光瞳的任意形状调制。在覆盖所有DOE光瞳形式之外，还有广泛的发挥空间，能够适应90 nm以上节点光刻机的光瞳调制需求，通过Flexray实现的复杂光瞳形貌如图14所示。与DMD器件不同的是，Flexray的微镜尺寸不需太小，但镜片可以任意角度摆动，镜片镀膜需满足深紫外激光的长期辐照，反射率大于96%＠193nm。

图14 Flexray调制光瞳

4 结束语

线宽作为光刻机的最核心指标之一，一直引领着IC技术的进步，为了不断提高分辨率，减小线宽，进一步突破瑞利判据的限制，人们围绕照明均匀性补偿、光瞳调制、二元掩模、计算光刻等技术方向展开了大量研究，不断将光刻工艺节点推向下一个高峰。随着衍射元件制造和MEMS技术的成熟，光瞳调制的潜力得到极大地开发。本文针对多种光瞳调制方案展开研究，分析了其技术特点和应用场景。目前国内高精度的DOE元件制造仍有难度，可编程微镜阵列还只能依赖进口，随着国内配套产业的技术进步，期待未来可实现自主可控。