极紫外光刻光源收集及照明系统

摘要

一种极紫外光刻光源收集及照明系统，包括前端反射镜组和后端反射镜组两部分，前端反射镜组和后端反射镜组之间通过支撑结构安装固定。前端反射镜组中每层反射面由不同的抛物线段绕光轴旋转而成，极紫外光源中心位于抛物线的焦平面并处在光轴上。光源发出的光线经各抛物线反射后，以平行光路射出；后端反镜组各环带状圆锥面将前端反射面射出的平行光路分割成多个细窄平行光路，并全部反射到最终的照明点处。本发明使极紫外光刻机光源收集系统在进行光线收集的同时，也能够实现照明系统的功能，完成光束的整形和光谱过滤工作，为掩膜板的曝光提供良好的照明条件，将收集系统与照明系统整合到一起，能够缩减整体工作空间并使光学系统结构更加紧凑。

说明书

技术领域

本发明属于极紫外先进光刻技术领域，涉及一种极紫外光刻光源 收集及照明系统，用于等离子极紫外光源的光线收集和会聚光斑的整 形及光谱过滤，以实现对掩膜板良好的照明作用。

背景技术

极紫外/软X射线光刻被认为是下一代最具发展前景的光刻技术 之一，光源收集系统和照明系统是极紫外光刻机的重要组成部分。

从用途来看，收集系统并不是纯粹的成像系统，它的目的不是要 将等离子光源成像到中间焦点处，而是简单地把其所发出的极紫外光 线会聚到中间焦点处，并且在满足像方孔径角要求的前提下，尽可能 的使物方孔径角有效最大化进而达到较高的收集效率。受光源特性和 镜体变形及机械支撑结构的影响，在中间焦点处所形成的亮斑通常形 状不规则，亮度分布不均，除了有效曝光波长(13.5nm为中心波长，2％ 波带宽度)外，其他工作波段外的谱线也引入进来，特别是系统吸热 升温所带来的不容忽视的红外辐射，所以此亮斑并不能直接用来照明 掩膜板，需要在二者之间加入一个照明系统，使光斑能量均匀化和光 谱净化，进而形成掩膜板所需的照明条件和曝光要求。

无论是透射式照明系统还是反射式照明系统，通常都会采用一种 典型的复眼型结构，广义的复眼照明设计思想为：将实际光源所发出 的光束分割成众多的子光束，由于这些子光束的截面较窄，所以能量 接近均匀分布，之后，这些子光束在空间顺序性和对称性的作用下， 在照明处进行互补性的强度叠加，均匀性得到进一步的改善，通过镀 在镜面表面的膜层的过滤作用，工作波长能够高效通过，其它谱段波 长得到明显滤除。

极紫外光源的产生主要采用两种方式：激光等离子光源(LPP) 和放电等离子光源(DPP)，目前与DPP光源搭配的收集系统采用 Wolter-I型掠入射反射镜，由于其结构性能和使用寿命目前来看要优 于与LPP搭配的正入射收集反射镜，所以Wolter-I型收集系统也有望 与LPP光源进行搭配使用。

然而，Wolter型收集系统由于其特殊的结构形式，导致其与光源 的轴向距离很近，这给光源消杂系统的设计带来一定困难，并且，镜 体前段的双曲反射面加工难度大，在制造与成本方面这是必需要考虑 的问题。初期所提出的极紫外复眼式照明系统，由于其各个微小镜元 的加工和装配难度大，并没有得到广泛的实用性认可。

发明内容

针对现有技术出现的问题，本发明在Wolter收集反射镜及复眼 式照明系统的设计思想下，提出了一种新型的用于极紫外光线收集并 同时完成照明优化的壳体嵌套式系统，该系统在设计上能够满足光刻 要求，且利用现有加工技术较易实现，并能降低制造成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种极紫外光刻光源收集及照明系统，包括前端反射镜组和后端 反射镜组两部分，前端反射镜组和后端反射镜组之间通过星型支撑结 构安装固定，其中：

所述前端反射镜组和后端反射镜组都包括相同数量的、以嵌套形 式从内层到外层进行安装排布的壳体反射镜，其中前端反射镜组的某 层壳体反射镜与后端反射镜组相应层数的壳体反射镜在光路上存在 一一对应的关系，并靠支撑结构衔接在一起；

所述前端反射镜组中的每层壳体反射镜的反射面都是某个抛物 线绕光轴旋转而成，光源位于抛物线的焦平面并处在光轴上，每层抛 物线具有6°-8°光线收集角，且最小收集角为20°，最大收集角为60°。 极紫外光源发出的光线经前端反射镜组各抛物线反射后，以平行光路 射出，且从最外层抛物线到最内层抛物线，它们所射出的平行光线的 斜率由大到小依次降低；

所述后端反射镜组中的每层壳体反射镜为环带状圆锥面，各环带 状圆锥面共轴设置，其中各环带状圆锥面沿轴截面为多段连续线段， 各圆锥面母线斜率依次变化，形成多棱多段圆锥曲面，从而把前端反 射面沿轴截面射出的平行光分割成多个细窄平行光路，最后每个壳体 反射镜把投射其上的细窄平行光路反射到最终的照明点处，由于各个 壳体反射镜的斜率依次变化，保证了多个细窄平行光路在照明点处相 叠加。

本发明中，整个系统的前端反射镜组和后端反射镜组由5-6层 壳体反射镜组成，物方孔径角为60°，像方孔径角根据照明需求而定 (一般为10°-15°)，系统轴向长度400m,径向长度700mm，光源与照 明点距离在1000-1500mm之间，光源与系统前端反射镜组距离为 150mm。

本发明中，对于设计方法采用以下原则：其一，采用由外向内设 计的方法，即：先确定最外层的结构参数，再依次确定内层的结构参 数，各层抛物线在物方的收集角要准确衔接，且每层壳体反射镜对周 边各层壳体反射镜的光路不能产生遮挡。其二，采用先前再后的设计 方法，即：设计完前端反射镜组每层的抛物线后，随之根据其结构， 确定其后的后端反射镜组多棱多段圆锥反射面。

本发明中，所述极紫外光刻光源收集及照明系统系统在满足各个 壳体反射镜边缘光线衔接合理的条件下，总体结构设计上具有很高自 由度，每个壳体反射镜可单独进行设计及优化。各个抛物线具有四个 设计自由度，分别为：光源在抛物线焦平面上相对于焦点的位置是可 调的，光源距离前组反射镜的轴向距离是可调的，系统对光源的最大 收集角是可调的，各层壳体反射镜的收集角范围是可调的。多棱多段 圆锥面也具有四个设计自由度，分别为：第一个镜元的位置是可调的， 每个镜元的尺寸是可调的，每个镜元的斜率是可调的(具有两个自由 度)。

本发明中，所述抛物线通过修改方程参数可以改变从其所射出的 平行光线沿光轴的斜率大小，光线斜率大小决定其在前组反射镜上的 入射角，而入射角的大小又决定着反射面的反射率，因此调整每个抛 物线所打出的平行光线斜率对优化总体反射率是必要的。

本发明中，所述多棱多段圆锥面通过改变每个镜元的尺寸和母线 斜率，可控制照明光斑的大小和数值孔径角，使总体集光度满足要求， 其中镜元的大小决定照明光斑的大小，二者在几何上成一定的比例关 系，镜元的斜率决定照明光斑在光轴的位置，即决定像方孔径角。设 计时，以中间镜元为基准，使它反射的平行光路在光轴处的截面正好 与所需照明光斑重合，之后，调整其他镜元的大小及斜率，使它们反 射的平行光路也在所需照明光斑处重叠。

本发明中，所述极紫外光刻光源收集及照明系统的内层壳体反射 镜的光线收集角小于外层壳体反射镜的光线收集角，从而使内层反射 镜轴向长度缩短且与外层保持一致，保证了各壳体安装固定方面的要 求。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明使极紫外光刻机光源收集系统在进行光线收集的同时， 也能够实现照明系统的功能，完成光束的整形和光谱过滤工作，为掩 膜板的曝光提供良好的照明条件，将收集系统与照明系统整合到一 起，能够缩减整体工作空间并使光学系统结构更加紧凑。

2、相比于Wolter型收集系统的双曲面镜和椭球面镜，及现有的 复杂的反射式复眼照明系统，本发明采用抛物线旋转面和圆锥面镜 元，更易加工和装配，缩减了的制造成本。

附图说明

图1为本发明所提供的极紫外光刻光源收集及照明系统的二维 光路结构简图；

图2为本发明所设计的多棱多段圆锥面反射镜及其照明优化原 理；

图3为本发明所设计的位于系统前端的五层抛物线旋转面；

图4为本发明所设计的位于系统后端的五层多棱多段圆锥面反 射镜；

图中，1-光源，2-前端反射镜组，3-后端反射镜组，4-照明光斑 处，5-圆锥面反射镜元，6-经抛物线反射出的平行光束，7-细窄平行 光束。

具体实施方式

结合图1与图2，给出本发明的一个实施例，主要作为本发明的 进一步详细说明，而非用来限定本发明的范围。

如图1所示，本实施方式提供的极紫外光刻光源收集及照明系统 包括光源1、前端反射镜组2、后端反射镜组3及照明光斑处4。掩 膜板的照明孔径角要与投影系统的物方孔径角进行匹配，可根据这一 条件，初步确定本实施方式中光源收集及照明系统的像方数值孔径为 0.3(近似为系统后端面对照明光斑4的半张角弧度值)。若光源采用 激光等离子光源(LPP)，由于其等离子的尺寸很小(500um)，可近 似看做点光源，则本实施方式中的物方孔径角应该越大越好，然而， 受到整体尺寸的限制，光源与照明点之间的轴向距离应该有个上限最 大值，一旦最大值确定，则随着物方孔径角的增大，本实施方式中的 收集及照明系统就会越靠近光源，这会给极紫外光刻机中光源与收集 系统间的消杂系统(DMT)的设计及安装带来困难，即本实施方式 中系统的物方孔径角要有一个上限值，根据设计经验，初步定为60° (近似为系统前端面对光源1的半张角弧度值)。为避免产生较大的 自重变形，整个系统的轴向长度及截面直径建议不超过0.5m。

根据极紫外光刻Woter型收集系统嵌套式反射镜的设计思想，我 们依旧采用多层嵌套式壳体反射镜对60°的物方孔径角进行优化分 配，每一个壳体反射镜都对一部分入射角进行单独的光线反射及会 聚，与Wolter型收集系统不同的是，每一个前端反射镜组2的反射 面不是双曲面，而是抛物线沿光轴旋转而成的反射面，光源1位于抛 物线焦平面某一位置，则光线经每个抛物线反射后，变成一束束平行 光路。

每个平行光与光轴的夹角(光线斜率)从最外层抛物线到最内层 抛物线依次降低，且每个平行光束的斜率选取要适当。这是因为：光 线从光源1出发，经抛物线旋转面反射镜和圆锥面反射镜两次反射后 到达照明点，对于每一层反射镜而言，像方与物方孔径角是固定的， 则两次反射偏转的总体角度也是一定的，那么两个反射偏折角需要进 行合理的分配，以使总体反射率最大。

由于每层反射镜壳体关于光轴旋转对称，则旋转抛物面方程可简 化为系统纵向截面的二维方程式。

以光源1所在位置为原点的旋转抛物面母线方程为：

(y+h)∧2＝2p*(x+p/2)   (1)；

p、h分别为光源1对抛物线顶点的横向偏移量和纵向偏移量。

母线上每一点的斜率为：

y′＝p/(y+h)   (2)。

抛物线方程可由下列程序指令绘制完成：

k＝20；       ％最外层出射的平行光束与光轴夹角

1＝150；      ％光源与最外层壳体前端面轴向距离

u＝60；       ％最外层反射镜收集角最大值

v＝(u+k)/2；

p＝2*1/((1/tan(v/180*pi))∧2-1)；

h＝p/tan(v/180*pi)-1*tan(u/180*pi)；

x＝150：300；              ％抛物线轴向长度

y＝sqrt(2*p*(x+p/2))-h；   ％最外层壳体抛物线方程

如图1中后端反射镜组3所示，从每一层抛物线射出的平行光束 都打到该层后端的多棱多段圆锥面上。多棱多段圆锥面由多个环带状 的圆锥面反射镜元5组成，这些镜元把每个经抛物线反射出的平行光 束6又分成诸多细窄平行光束7，每个镜元对每个细窄光束单独进行 一次反射，反射后依旧为截面相同的平行细窄光束，通过改变每个镜 元的倾斜斜率，可使这些诸多的细窄光束会聚到相同的所需照明光斑 4内，由于每个镜元的母线斜率(关于光轴)各不相同，应以中间的 镜元作为设计参考标准，而中间镜元的尺寸及斜率大小由照明的光斑 大小和光斑与该镜元的空间位置关系所确定，该参考镜元一旦确定， 其它镜元的大小及斜率也就确定了。