CN104718499A

CN104718499A - 微光刻投射曝光设备的照明系统

Info

Publication number: CN104718499A
Application number: CN201280076413.7A
Authority: CN
Inventors: M.帕特拉
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2012-10-27
Filing date: 2012-10-27
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: JP2015534130A; JP6170564B2; TWI531871B; US9671699B2; WO2014063719A1; CN104718499B; KR101712299B1; KR20150053995A; US20150185622A1; TW201423284A

Abstract

一种微光刻投射曝光设备的照明系统，包含光学积分器(70)，该光学积分器包括第一光栅板(74)及第二光栅板(76)。第一光栅板(74)包含沿着参考方向(X)具有第一焦距f₁的第一透镜(78)的阵列，第二光栅板(76)包含沿着参考方向(X)具有第二焦距f₂的第二透镜(84)的阵列。第一透镜的顶点及第二透镜的顶点隔开大于第二焦距f₂的距离d，使得d>1.01·f₂。这确保激光指向或光学积分器的照明的另一瞬时变化不会不利地影响平面(90)中由光学积分器(70)照明的空间辐照分布。

Description

微光刻投射曝光设备的照明系统

技术领域

本发明一般涉及微光刻投射曝光设备的照明系统，尤其涉及包含可个别控制的微镜或其它光束偏转元件的阵列的设备。

背景技术

微光刻技术(又称为光刻技术或简称为光刻)是一种制造集成电路、液晶显示器及其它微结构化装置的技术。结合蚀刻工艺，微光刻技术工艺用于在基板(例如硅晶片)上已形成的薄膜堆叠中图案化特征。在制造的每一层中，首先以光刻胶涂覆晶片，光刻胶是一种对特定波长的光敏感的材料。接着，使顶部具有光刻胶的晶片在投射曝光设备中通过掩模曝光于投射光。掩模包含要成像于光刻胶上的电路图案。在曝光之后，显影光刻胶以产生对应于掩模中所含电路图案的像。然后，蚀刻工艺使电路图案转印至晶片上的薄膜堆叠中。最后，移除光刻胶。以不同掩模重复此工艺导致多层的微结构部件。

投射曝光设备通常包括照明系统，照明系统照明掩模上可具有例如矩形或弯曲长条形状的场。投射曝光设备另外包含：对准掩模的掩模台、将掩模上的照明场成像于光刻胶上的投射物镜(有时又称为“镜头”)、及对准涂覆有光刻胶的晶片的晶片对准台。

在投射曝光设备的发展中，一个重要的目标是能够在晶片上以微光刻方式限定尺寸越来越小的结构。较小结构导致较高的集成密度，这对于借助此设备制造的微结构部件的性能一般具有有利的影响。

为达成此目标，过去已研究多种方法。一个方法是改良掩模的照明。理想上，投射曝光设备的照明系统以具有明确限定的空间及辐照角分布的投射光照明掩模上照明的场的每个点。术语“辐照角分布”描述朝向掩模上的特定点会聚的光束的总光能在构成光束的光线的各种方向上如何分布。

照在掩模上的投射光的辐照角分布通常适配于要成像在光刻胶上的图案种类。例如，相对大尺寸的特征可需要使用不同于小尺寸特征的辐照角分布。最常使用的辐照角分布为常规的环状、双极及四极照明设定。这些术语指的是照明系统的光瞳面中的辐照分布。例如，在环状照明设定下，仅照明光瞳面中的环状区。因此，在投射光的辐照角分布中仅出现较小角度范围，，所有光线以相似的角度倾斜地照在掩模上。

本技术中已知有不同的方式可以修改掩模平面中投射光的辐照角分布，以实现所要的照明设定。为实现在掩模平面中产生不同辐照角分布的最大灵活性，已提议使用决定光瞳面中辐照分布的反射镜阵列。

在EP 1 262 836 A1中，将反射镜阵列实现为包含1000个以上显微镜反射镜的微机电系统(MEMS)。各反射镜可绕着两个正交倾斜轴倾斜。因此，在此种反射镜装置上入射的辐射可被反射至半球中几乎任何所要方向上。布置在反射镜阵列与光瞳面间的聚光透镜将反射镜产生的反射角转换为光瞳面中的位置。此照明系统使得可以多个光斑照明光瞳面，其中每个光斑与一个特定反射镜相关联，且通过倾斜此反射镜而可在光瞳面上自由移动。

使用反射镜阵列的类似照明系统请参考US 2006/0087634 A1、US 7 061582 B2及WO 2005/026843 A2。

反射镜阵列、或微镜阵列用以将个别光束引向阵列的反射镜上以确保没有光损耗在相邻反射镜之间形成的间隙中，所述阵列应利用投射光均匀地照明或仅以适度辐照梯度来照明。也很重要的是，由照明系统的光源产生的投射光束的瞬时变化不会对照明系统的性能产生任何影响。例如，在通常用作光源的准分子激光器下，观察到称为激光指向(laser pointing)或激光抖动(laser jitter)的效应。从光源发出的投射光束的方向的小变化可证明这些效应本身。

为了防止这种变化对于掩模的照明有不利的影响，WO 2009/080279 A1提议在光源及反射镜阵列、或放置在反射镜阵列前方的微镜阵列之间布置光束均匀化单元。光束均匀化单元包含：光学积分器，其包括第一及第二光栅板；及聚光器，其具有其中布置光学积分器的第二光栅板的前焦面。由于第一光栅板布置在第二光栅板的透镜的前焦面中，此前焦面成像在聚光器的后焦面上。在第一光栅板的光的角分布因此对聚光器后焦面中的空间辐照分布没有影响。由于第二光栅板的透镜的物平面的像叠加在聚光器的后焦面中，辐照分布在第一光栅板上的移动仅实质上影响聚光器后焦面中的光的角分布而非空间光分布。

然而，光学积分器必然增加投射光的几何光通量。因此，投射光在光学积分器后面的发散大于其前面。然而，对于光束均匀化单元，并不需要增加发散，因为发散应该仅由反射镜阵列增加。投射光在照在反射镜阵列上时的发散越大，由阵列的反射镜在后续光瞳平面中产生的光斑就越大。但仅在极小的光斑的情况下，才可在掩模平面中产生任意的光的角分布。

如果第二光栅板的透镜具有较小折射力(这表示透镜的焦距较大)，则由光学积分器在输入发散未超过特定限制时产生的发散增加可保持较小。然而，较大焦距需要在光栅板之间以及还有在光学积分器与聚光器之间有较大的距离。此问题可通过使用折叠反射镜来解决。然而，如果投射光的发散较小，由衍射光在光学积分器的相邻通道之间产生的光学串扰将成为问题。在设计以明显增加发散的常规光学积分器中，在光栅板之间的距离如此之小，致使由透镜的规则布置所衍射的光将维持限制在光学积分器的相应通道内。然而，如果发散较小且光栅板之间的距离变大，则衍射光可进入相邻通道并促成光学串扰。

光学积分器中的光学串扰更改光束均匀化单元的聚光器的后焦面中的辐照分布。主要的问题是，如果照射光束的方向不稳定，光学串扰将经常变化。然后，激光指向或其它瞬时干扰可改变光束均匀化单元的聚光器后焦面中的空间辐照分布。这最终将改变掩模平面中的光的角分布。换句话说，光学串扰破坏光束均匀化单元产生叠加的空间辐照分布(其实质上与照在光学积分器上的光的角分布无关)的特性。

发明内容

本发明的目的因此在于提供包含光学积分器的照明系统。即使光学积分器仅稍微增加传播通过光学积分器的光的发散，由光学积分器在远场(或在聚光器的后焦面，其与远场相当)中产生的叠加的空间辐照分布应该与照在光学积分器上的光的角分布基本无关。

根据本发明，此目的以包含光学积分器的微光刻投射曝光设备的照明系统来实现。光学积分器包含第一光栅板，其包含沿着参考方向具有第一焦距f₁的第一透镜的阵列。第二光栅板包含沿着参考方向具有第二焦距f₂的第二透镜的阵列。第一透镜的顶点与第二透镜的顶点隔开大于第二焦距f₂的距离d，其中d>1.01·f₂。

本发明人意识到，即使光学积分器仅稍微增加发散且输入发散很小，仍无法完全避免光学串扰。然而，可以消除由衍射光造成的光学串扰的主要不利影响，即，光学积分器对入射光的光的角分布的瞬时变化的敏感度。已发现，如果不将第一透镜布置在第二透镜的前焦面中，而是距离前焦面更远一点，则可显著或甚至完全减少此敏感度。由于在光学积分器仅稍微增加发散的情形中，第二焦距f₂通常在数百厘米的范围中，距离增加仅1％代表着光栅板之间的距离将增加至少几个毫米，且通常增加几个厘米。

增加第一与第二光栅板之间的距离具有以下效应：补偿远场空间辐照分布的变化(其由促成光学串扰的衍射光在第一光栅板上的光的角分布改变时产生)。这运用第二透镜的反转效应。然而，唯有考虑光的波特性的严谨计算方可完全解释第一透镜的离焦布置如何减少光学积分器对入射光的光的角分布的瞬时变化的敏感度。

必须针对特定应用而选择的比值d/f₂主要取决于光栅板的几何参数，尤其是第一与第二透镜的节距、投射光的波长及其发散。在一些应用中，d可超过1.02·f₂或甚至1.05·f₂。一般而言，比值d/f₂增加，光学积分器产生的发散就越小。

如上文已经提过，唯有光学积分器产生的发散很小，光学串扰才会成为问题。此发散(全角(full angle))等于p/f₂，其中p是第二透镜的节距，f₂是其焦距。光学积分器的单一通道的衍射级的距离等于λ/p。如果使发散p/f₂除以相邻衍射级之间的距离λ/p，则参数p²/(λ·f₂)指示在发散内接收的衍射级的数目。如果此数目很小，则有许多未在发散中接收及因此促成光学串扰的衍射级。

在一些实施例中，数目k低于40，在其它实施例中低于20及在又其它实施例中低于10。数目k越小，通过增加光栅板之间的距离d超出第二透镜的焦距f₂的常规值所获得的好处就越大。

k小于40、20或甚至10的情形通常发生在光学积分器布置在光源及空间光调制器(其构造为改变照明系统光瞳面中的空间辐照分布)之间时。然而，照明系统中还可以有其它应用需要仅稍微增加发散的光学积分器。

这种空间光调制器可包含反射或透明光束偏转元件的光束偏转阵列。各光束偏转元件可构造为按偏转角来偏转光束，该偏转角可响应施加至光束偏转元件的控制信号而改变。尤其，光束偏转元件可由可倾斜反射镜形成。

本发明同样适用于对称光学积分器，其中第一透镜的焦距f₁等于第二透镜的焦距f₂，并且在非对称光学积分器中，f₁≠f₂。

在一些实施例中，照明系统包含聚光器，其具有其中布置第二光栅板的前焦面。然而，光学积分器还可在无后续聚光器的情况下使用。

定义

术语“光”代表任何电磁辐射，尤其是可见光、UV、DUV及VUV光。

本文使用术语“光线”代表其传播路径可由线描述的光。

本文使用术语“光丛(light bundle)”代表在场平面中具有共同的原点的多个光线。

本文使用术语“光束(light beam)”代表通过特定透镜或另一光学元件的光。

本文使用术语“光学积分器”代表增加乘积NA·a的光学系统，其中NA是数值孔径，a是照明场面积。

本文使用术语“聚光器”代表在两个平面(例如场平面及光瞳平面)之间建立(至少大约建立)傅立叶关系的光学元件或光学系统。

本文使用术语“空间辐照分布”代表总辐照如何在光所照射的实面或虚面上改变。通常可以函数I_s(x,y)描述空间辐照分布，其中x、y为面中一点的空间坐标。如果应用于场平面，空间辐照分布必定求出由多个光丛所产生辐照的积分。

本文使用术语“辐照角分布”代表光丛的辐照如何取决于构成光丛的光线的角度而改变。通常可以函数I_a(α,β)描述辐照角分布，其中α、β为描述光线方向的角坐标。如果辐照角分布具有场依赖性，则I_a将也是场坐标的函数，即，I_a＝I_a(α,β,x,y)。

本文使用术语“面”代表三维空间中的任何平面或弯曲表面。面可为主体的一部分或可与主体完全分离，通常如场平面或光瞳平面的情况。

使用术语“屈光力(optical power)”代表光学元件对光具有发散或会聚效应的能力。正光学能力因此具有会聚效应，及负光学能力具有发散光学效应。

术语“会聚效应”是指无论入射光是发散、平行或已经会聚，均增加会聚。如果入射光是发散的，必须增加会聚至如此的程度，致使从光学元件出现的光束至少稍微会聚。

附图说明

参考结合附图的详细说明，可更容易明白本发明各种特征及优点，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的投射曝光设备的示意性透视图；

图2为穿过图1所示设备的一部分的照明系统的子午截面；

图3为图2所示照明系统所含反射镜阵列的透视图；

图4为穿过还是图2显示的照明系统的一部分的光束均匀化单元的子午截面；

图5是图4显示的光束均匀化单元中所含光栅板的俯视图；

图6是沿着穿过图5显示的光栅板的直线VI-VI的横截面；

图7是根据替代性实施例含有圆柱形微透镜的两个光栅板的透视图；

图8是先前技术的光束均匀化单元的示意性子午截面；

图9是穿过图4显示的光束均匀化单元的光学积分器的子午截面；

图10是如何可将第二光栅板的三个相邻透镜视为单一较大透镜及棱镜的组合的示意性图解；

图11是光学串扰如何影响远场辐照分布的示意性图解；

图12是显示将第一光栅板布置在离焦轴向位置中的影响的示意性图解；

图13是图解在对称光学积分器的情形中为各种节距及焦距组合所必需的离焦量的曲线图；

图14是图解取决于数目p²/(λ·f₂)所必需的离焦量的曲线图；

图15是图解其中第一及第二光栅板的透镜具有不同焦距的非对称光学积分器的可能解决方案的曲线图。

具体实施方式

I.

投射曝光设备的一般构造

图1为根据本发明的投射曝光设备10的透视且高度简化的视图。设备10包含产生投射光束的照明系统12。照明系统12照明掩模16上的场14，掩模16包含精细特征19的图案18。在此实施例中，照明场14具有环形段的形状。然而，还考虑照明场14的其它形状，例如矩形。

投射物镜20具有光轴OA且含有多个透镜21，并将照明场14中的图案18成像于感光层22上，感光层22例如为光刻胶，感光层由基板24支撑。可由硅晶片形成的基板24布置在晶片台(未显示)上使得感光层22的顶面精确地位于投射物镜20的像平面中。利用在投射物镜20的物平面中的掩模台(未显示)定位掩模16。由于投射物镜具有放大率β，其中|β|≤1，照明场14中图案18的缩小像18'被投射于感光层22上。

在投射期间，掩模16及基板24沿着对应于图1所示Y方向的扫描方向移动。照明场14接着在掩模16上方扫描，使得大于照明场14的图案化区域可被持续成像。基板24与掩模16的速度之间的比值等于投射物镜20的放大率β。如果投射物镜20颠倒像(β<0)，则掩模16与基板24在相反方向上移动，如图1中以箭头A1及A2指示。然而，本发明还可用于步进机工具中，其中掩模16与基板24在投射掩模期间并不移动。

II.

照明系统的一般构造

图2为穿过图1所示照明系统12的子午截面。为了清楚之故，图2的示图极为简化且未按比例绘制。这尤其表示仅以一个或极少的光学元件代表不同的光学单元。现实中，这些单元可包含显著更多的透镜及其它光学元件。

照明系统12包括外壳29及光源30，在所示实施例中，将光源30实现为准分子激光器。光源30发射投射光的光束31，其具有约193nm的波长。还考虑其它类型的光源30及其它波长，例如248nm或157nm。

在所示实施例中，光源30发射的光束31进入扩展光束的由32表示的光束扩展单元。为此目的，光束扩散单元32可例如包含几个透镜或平面反射镜。从光束扩散单元32发出的扩展的光束31具有低发散，即，其几乎准直。

光束31接着进入光束均匀化单元34，其使光束31均匀化并稳定投射光在掩模水平(level)的角分布。光束均匀化单元34的布置及功能将在第III节中详细解说。

在均匀化后，光束31照在光束分割阵列36上。光束分割阵列36将光束31分割成多个个别会聚光束，图2中仅显示以LB1、LB2表示的两个会聚光束。为此目的，分割阵列36包含多个小的微透镜37。光束分割阵列36的可能构造例如公开于PCT/EP2010/005628中。或者，光束分割阵列36可包含衍射光学元件的阵列，如WO 2005/026843 A2所公开，或也可以完全省掉光束分割阵列。

会聚光束LB1、LB2接着传播通过用于在后面的光瞳平面中产生可变空间辐照分布的空间光调制器38。在此实施例中，空间光调制器38包含微镜42的阵列40，所述微镜可在致动器的帮助下，个别地绕着两个正交轴倾斜。致动器由连接至总系统控制器45的控制单元43控制。

图3是阵列40的透视图，其图解会聚光束LB1、LB2如何取决于光束LB1、LB2照在微镜42上的倾斜角而被反射至不同方向上。在图2及图3中，阵列40包含仅6×6个微镜42；在现实中，阵列40可包含几百个或甚至几千个微镜42。

再次参考图2，空间光调制器38另外包含棱镜46，其具有相对于照明系统12的光轴47均倾斜的第一平坦面48a及第二平坦面48b。在这些倾斜面48a、48b处，光束LB以全内反射而被反射。第一面48a将照射的光束LB1、LB2朝向微镜阵列40的微镜42反射，及第二面48b将从微镜42反射的光束LB1、LB2引向棱镜46的出射面49。

因此，可通过个别倾斜阵列40的微镜42改变光束LB1、LB2的方向，及因此改变从棱镜46的出射面49发出的光的辐照角分布。有关空间光调制器38的更多细节例如请见US 2009/0115990 A1。

在将照射的光束LB1、LB2引向场限定光学积分器52的第一聚光器50的帮助下，将空间光调制器38所产生的辐照角分布变换成空间辐照分布。在此实施例中，场限定光学积分器52包含两个光栅板54a、54b，其各含有两个正交阵列的圆柱形微透镜。场限定光学积分器52在照明系统12的后面的光瞳平面56中产生多个二次光源。第二聚光器58在光瞳平面56及场光阑平面60(其中布置可调场光阑62)之间建立傅立叶关系。第二聚光器58叠加从二次光源发出的光束于场光阑平面60中，使得极为均匀地照明该场光阑平面。

场光阑平面60由场光阑物镜64成像于掩模平面66上，支撑于掩模平台(未显示)上的掩模16布置在掩模平面中。因此，可调场光阑62还成像于掩模平面66上，并至少定义沿着扫描方向Y延伸的照明场14的较短横向侧。

在场限定光学积分器52前面的空间辐照分布决定光瞳平面56中的空间辐照分布，并且因此决定场光阑平面60及掩模平面66的辐照角分布。在控制单元43的帮助下，通过仔细地设定反射镜阵列40的微镜42的倾斜角，因此可在掩模平面66中快速地产生几乎任何任意辐照角分布。这继而可以将掩模平面66中的辐照角分布快速地适配于掩模16中所含的图案18。使用专为图案18定制的辐照角分布，可将图案18更精确地成像于感光层22上。

III.

光束均匀化单元

图4为穿过图2所示光束均匀化单元34的子午截面。光束均匀化单元34包含均匀化光学积分器70及聚光器72。均匀化光学积分器70包括第一光栅板74及第二光栅板76，所述光栅板沿着光束均匀化单元34的光轴77隔开。

如可在图5的俯视图中看到，第一光栅板74包含多个第一透镜78，其沿着X及Y方向以均等节距(pitch)p布置在规则的格子状阵列中。图6是图5显示的第一光栅板74沿着直线VI-VI的横截面，其图解第一透镜78具有正折射力，并且在显示的实施例中实现为平面-凸面微透镜。每个第一透镜78具有弯曲面80，其由方形边缘82(见图5)划定界限。还设想以下构造：分别沿着X及Y方向的不同节距p_x、p_y、或具有不同形状的边界82及/或沿着X及Y方向具有不同折射力。

第二光栅板76包含第二透镜84且具有与第一光栅板74基本上相同的构造。尤其在不失一般性的情况下假设第二透镜84沿着X及Y方向具有相同节距p。然而，第一及第二透镜78、84的折射力及因此其焦距可以不同。

图7显示包含光栅板174、176的均匀化光学积分器170的替代性实施例。每个光栅板174、176分别包含两个阵列的平行圆柱形透镜178a、178b和184a、184b，其中在光栅板174、176的相对侧上的圆柱形透镜178a、178b和184a、184b沿着正交方向Y和X延伸。由两个正交圆柱形透镜178a、178b或184a、184b限定的体积91对应于图5和6中显示的光学积分器70的单一透镜78或84。

在图4显示的光束均匀化单元34的实施例中，聚光器72由具有焦距f_c的单一正透镜构成。在聚光器72的前焦面88中布置第二光栅板76，并且在聚光器72的后焦面90中布置照明系统12的光束分割阵列36。

在其它实施例中，聚光器72由一个以上的透镜或其它光学组件组装，并且因此可具有与后焦距不同的前焦距。

下文中，将首先参考图8简要说明包含光学积分器和聚光器的常规光束均匀器如何运作。此常规光束均匀器的实例是图2显示的场限定光学积分器52和第二聚光器58的组合。

第一和第二光栅板74'、76'的透镜78'、84'沿着平行于光轴77'延伸的线布置，形成多个光学通道，图8中仅显示其中两个，如92'、94'所示。每个光学通道92'、94'具有以下特性：如果至少不管衍射，投射光将在进入与相应通道92'、94'相关联的第一透镜78'后被限定于此特定光学通道。换句话说，不允许投射光离开光学通道而进入相邻光学通道。这种通道变更在本文中称为光学串扰。

常规光学积分器的特性化特征是第一透镜78'布置在第二透镜84'的前焦面中。由于第二透镜84'布置在聚光器72'的前焦面中，第一透镜78'上的空间辐照分布被成像在聚光器72'的后焦面90'上。这在图8的上方部分中针对三个物体点O1、O2、O3示出，这三个物体点分别由第二透镜84'和聚光器72'成像于像点I1、I2及I3上。

从图8看得很清楚，每个光学通道92'、94'在聚光器72'的后焦面90'中照明由边缘像点I1和I3所限定的相同区域。因此，第一透镜78'上的空间辐照分布(其在某种程度上有所不同)在后焦面90'中叠加。此叠加导致后焦面90'中非常均匀的空间辐照分布。

如同典型的成像关系，物平面中(例如在物体点O1、O2、O3处)的光的角分布，对于像平面(即聚光器72'的后焦面90')中的空间辐照分布没有任何影响。这是光束均匀器的重要特性，因其确保照在第一透镜78'上的投射光入射角的变化不会改变后焦面90'中的空间辐照分布。例如，如果光源30产生的投射光束31并非绝对稳定，而是在中期或长期中稍微改变其方向，将发生这种入射角变化。这种变化有时称为激光指向，并不是很容易抑制。然而，在图8中显示的光束均匀器的情况下，如果不管衍射的话，可成功减少激光指向对聚光器72'的后焦面90'中空间辐照分布的均匀性的影响。

激光指向通常也意味着第一透镜78'上的辐照区域稍微改变。只要全部的光学通道92'、94'被照明或不被照明，这将对后焦面90'中的空间辐照分布没有任何影响。因而照明后焦面90'中全部的场的工作只是从一个光学通道转移至另一个光学通道。唯有在局部照明光学通道时，这将对后焦面90'中的空间辐照分布造成影响。然而，如果光学通道的数目够大，也就是说透镜78'、84'的节距较小，则可忽略因局部照明的光学通道所引起的空间辐照分布变化。

在图8的下半部，显示如果平行投射光照在第一透镜78'上的情况。如果第一透镜78'的焦距f₁等于焦距f₂，则光学积分器为对称的且第一透镜78'的焦点F位在第二透镜84'内部。入射投射光的发散越小，焦点F处的强度就越高。为此之故，通常确定第一透镜78'的焦距f₁，致使在预期高光强度不会造成任何损坏的位置处获得最高光强度。例如，焦点F可完全位于第二透镜84'之外，或至少在施加敏感的抗反射涂层的光学面之外。

图9为根据本发明的光束均匀化单元34的均匀化光学积分器70的子午截面。第一光栅板74的第一透镜78至少沿着X方向具有焦距f₁，其在此实施例中小于第一透镜78的顶点100与第二透镜84的顶点102沿着Z方向(平行于光束均匀化单元34的光轴77)隔开的距离d。光轴77与聚光器72的旋转对称轴重合。因此含有由第一透镜78产生的焦点的焦面95将布置在第二光栅组件76之外，使得可忽略高光强度造成损坏的风险。

第二透镜84的焦距f₂也小于距离d。在显示的实施例中，d≈1.06·f₂，即距离d大于焦距f₂约6％。因此，与图8显示的常规布置相比，第一光栅板74未布置在第二光栅板76的第二透镜84的前焦面96中，而是布置在与其相距更远的位置处。此离焦布置具有以下效应：衍射光产生的光学串扰不会不利地影响光束均匀化单元34的稳定化效应。更明确地说，条件d>1.01·f₂确保聚光器72的后焦面90中的空间辐照分不会取决于、或至少不会大幅取决于入射投射光的方向。

仅基于几何光学法无法完全了解第一光栅板74的离焦布置的效应。唯有基于还考虑衍射效应的严谨数学表述，才可全面解释此效应及确定理想比值d/f₂。

不过，下文仍将试着举例解释如果照在均匀化光学积分器70上的投射光方向改变，第一光栅板74的离焦布置如何防止聚光器72的后焦面90中的空间辐照分布改变。

IV.

讨论

图10在左侧显示包含三个相邻光学通道92、93、94的均匀化光学积分器70的一部分(未按比例)。下文中将仅考虑照在中央光学通道93上的投射光；假设相邻光学通道92、94被吸收板102遮住。

104指示的照在中央光学通道93上的投射光在第一光栅板74的第一透镜78折射。投射光104的较大部分专门在中央光学通道93内传播，并且最后从后续第二光栅板76的相关联第二透镜84发出。

然而，第一透镜78的边缘82的规则布置形成在远场中产生衍射图案(Fraunhofer衍射)的格子，该衍射图案可使用已针对多个狭缝发展的构思来说明。在图10中，以虚线指示几个相邻衍射级106。在衍射级106之间的角距离等于比值λ/p，其中λ是投射光的波长，p是透镜78的节距。在图10中，假设相当数目的衍射级106并不限定于中央光学通道93，而是也进入相邻光学通道92、94且因此促成光学串扰。

用于在照明系统12的中间像平面60中产生均匀空间辐照分布的场限定光学积分器52必须显著增加几何光通量。几何光通量定义为像高度乘数值孔径NA的乘积。由于中间像平面60中的数值孔径NA会很大(尤其在投射物镜20还具有较大数值孔径(例如NA＝1.2)的情形中)，场限定光学积分器52产生的几何光通量的增加必须相当大。换句话说，场限定光学积分器52必须产生等于比值p/f₂的较大发散，其中p是透镜78、84的节距，f₂是第二透镜84的焦距。因此，较大发散意味着节距p较大且焦距f₂较小。这导致其中第一和第二光栅板54a、54b布置为紧邻接近的布置，因为如上文已参考图8所解说，在光栅板54a、54b之间的距离通常等于第二透镜的焦距f₂。

对于光束均匀化单元34中含有的均匀化光学积分器70，则情况相当不一样。此处不希望均匀化光学积分器70增加几何光通量。唯有从光束均匀化单元34发出的光仍然基本上准直，才有可能主要在光学调制器38的帮助下限定光瞳平面56中的空间辐照分布。如果在反射镜阵列42反射的光具有较大发散，则在场限定光学积分器52上产生的光斑(spot)将会太大而无法精确地产生所要的空间辐照分布，因此无法获得所要的照明设定。

如果光束均匀化单元34中所含均匀化光学积分器70的发散应该比较小，则透镜78、84的节距p必须较小且第二透镜84的焦距f₂必须较大。这导致在第一和第二光栅板74、76之间的较大距离d。距离d可如此之大致使其有助于在两个光栅板74、76之间布置光束折叠反射镜，从而减少光束均匀化单元34的总尺寸。

再次参考图10，许多衍射级106因为距离d较大而不照在属于相同光学通道93的第二透镜84上，而是照在属于相邻光学通道92、94的第二透镜上。因此，在光学积分器仅稍微增加几何光通量的情形中，衍射光促成光学串扰的部分相当大。

为确定光学串扰问题有多严重，可仅确定多少衍射级离开光学通道。在本文中，可将数量k定义为

k＝p²/(λ·f₂) (1)

此处，k等于衍射级106留在光学通道中致使其“包含”在均匀化光学积分器70产生的发散中的数目。此数目k等于在总发散(指定为p/f₂)与相邻衍射级间之间的距离(指定为λ/p)之间的比值。数目k越小，未包含在均匀化光学积分器70产生的发散中的衍射级数目就越大，并且因此促成光学串扰。

在场限定光学积分器52中，取决于方向X或Y，参数k在数百和数千之间的范围中。然而，在光束均匀化单元34的均匀化光学积分器70中，参数k通常小于40、往往小于20或甚至小于10。

下文将更详细解说光学串扰如何损害光学积分器70的稳定化特性，及如何由第一光栅板74的离焦布置(其中d>f₂)补偿此负面效应。

为了图解之故，在图10中显示且包含中央通道93及两个相邻通道92、94的第二光栅板76的部分在概念上分成：单一较大透镜108，其在所有三个光学通道92、93、94上延伸；及棱镜110，其含有两个楔形部分112、114。楔形部分112、114的斜率为第二透镜84的边缘82的斜率的两倍。

如果没有棱镜110使得衍射级106仅入射在较大透镜108上，将对聚光器72的后焦面90中的空间辐照分布没有任何效应。然而，这在还考虑与棱镜110相关联的光学效应时有所变化。

这在下文将参考图11的示意图解来解说。照在第二光栅板76的中央通道93上的位置A的投射光104将在后焦面90中产生的空间辐照分布109内的点A'的某处促成辐照。照在位置B的投射光将贡献空间辐照分布109的边缘B'上的点B'。在没有棱镜110的情况中，离开光学通道并照在透镜108的位置C的光将在空间辐照分布109的点C'处促成辐照。

然而，如果适当地考虑棱镜110的楔形部分112、114的效应，可看到离开光学通道的光将被楔形部分112、114偏转等于空间辐照分布的宽度w的距离，因为楔形角是第二透镜84的边缘角的两倍。因此，促成光学串扰并在位置D照在第二透镜84上的衍射光增加向上移位距离w的位置D'处的辐照。

对于促成光学串扰的衍射光，后焦面90中的空间辐照分布并非与照在均匀化光学积分器70上的投射光的入射角无关，如上文已参考常规布置的图8来解说。从图10及11中的图解可以看到，第一光栅板74的倾斜照明改变衍射级106的方向，并因此改变通过相邻通道92、94的光量。促成光学串扰的衍射级106接着仍促成宽度w的辐照分布109，宽度w由与光学通道的边缘82相关联的点B'确定。然而，此辐照分布现在将取决于入射角而改变。因此，例如，激光指向将具有后焦面90中的空间辐照分布还改变的效应。这最终影响照明系统12的光瞳平面56中的空间辐照分布，并因此影响掩模平面66中的辐照角分布。

由第一光栅板74的离焦布置补偿与促成光学串扰的衍射级106相关联的移位。图12图解可因激光指向造成的第一光栅板74的倾斜照明。较大透镜108的焦面当然与个别第二透镜84的前焦面96重合。因此，不是第一光栅板74处的空间辐照分布，而是前焦面96处的空间辐照分布被第二光栅板76和聚光器72成像在聚光器72的焦面90上。在第一光栅板74的倾斜照明的情形中，每个第一透镜78产生的空间辐照分布移位，如图12所显示。由于透镜108的颠倒效应，通过相反方向上的相等移位补偿空间辐照分布116的该移位。

V.

示例

图13是图解节距p与第二焦距f₂的各种组合的曲线图，其比值d/f₂应该用于获得上述补偿。此处，假设波长λ等于193nm，均匀化光学积分器是对称的，即f₁＝f₂。曲线的波纹反映衍射级的周期特性。

图14显示其中取决于方程式(1)限定的数目k指示的比值d/f₂的计算结果。可以看到，参数k越小，第一光栅板74的离焦d/f₂就必须较大。

表1含有根据本发明的光学积分器的数值示例。

将透镜高度h限定为第二透镜84的弯曲表面的高度。由于较长的焦距f₂，高度h与距离d相比为极小。

波长λ	193nm
		节距p	1mm
焦距f₂	52cm
		参数k	10
距离d	55cm
		比值d/f₂	1.06
透镜高度h	0.48μm

表1

图15是显示非对称均匀化光学积分器的比值d/f₂的曲线图，其中第一及第二透镜78、84的焦距不同(f₁≠f₂)。位于曲线上的所有点均为可能的解决方案。可以看到，对于指定的第二焦距f₂，存在第一焦距f₁无法落到其之下的最小值。

Claims

1.一种微光刻投射曝光设备的照明系统，包含光学积分器(70)，其中，所述光学积分器包含：

a)第一光栅板(74)，其包含沿着参考方向(X)具有第一焦距f₁的第一透镜(78)的阵列；

b)第二光栅板(76)，其包含沿着所述参考方向(X)具有第二焦距f₂的第二透镜(84)的阵列；

其中，所述第一透镜的顶点及所述第二透镜的顶点隔开大于所述第二焦距f₂的距离d，其中，d>1.01·f₂。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中，d>1.02·f₂。

3.如权利要求2所述的照明系统，其中，d>1.05·f₂。

4.如前述权利要求任一项所述的照明系统，包含光源(30)，其构造为产生具有波长λ的投射光。

5.如权利要求4所述的照明系统，其中，所述第二透镜(84)沿着所述参考方向(X)具有节距p，以及其中，

p²/(λ·f₂)<k，其中，k＝40。

6.如权利要求5所述的照明系统，其中，k＝20。

7.如权利要求6所述的照明系统，其中，k＝10。

8.如权利要求4至7中任一项所述的照明系统，其中，所述光学积分器(70)布置在所述光源(30)和空间光调制器(38)之间，所述空间光调制器(38)构造为改变所述照明系统(12)的光瞳面(56)中的空间辐照分布。

9.如权利要求8所述的照明系统，其中，所述空间光调制器包含反射或透明光束偏转元件(42)的光束偏转阵列(40)，其中，各光束偏转元件(42)构造为按偏转角来偏转光束，所述偏转角能够响应施加于所述光束偏转元件(42)的控制信号而改变。

10.如权利要求9所述的照明系统，其中，所述光束偏转元件(42)是可倾斜反射镜。

11.如前述权利要求任一项所述的照明系统，其中，f₁≠f₂。

12.如前述权利要求任一项所述的照明系统，包含聚光器(72)，所述聚光器具有其中布置所述第二光栅板(76)的前焦面(88)。