自由光瞳照明方法及照明系统与流程

本发明涉及半导体制造中的微光刻技术领域，尤其涉及一种自由光瞳照明方法及照明系统。

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版上的图形精确地投影曝光到涂有光刻胶的硅片上。

为了增强曝光系统的分辨能力，提高焦深，增大工艺窗口，在扫描曝光系统中已广泛采取了离轴照明技术(off-axis illumination，OAI)。传统的离轴照明包括环形照明、二极照明和四极照明等，主要是根据具体的掩模图形来选择不同的离轴照明光瞳分布。

自由光瞳照明模式，是一种新的分辨率增强技术方案，属于光瞳-掩模优化(Source-Mask Optimization，SMO)技术方案中的一部分，即根据掩模图形的分布，计算出最优的照明系统光瞳面的能量分布，并通过调制得到这种光瞳分布，以增强系统分辨率并增强焦深。

目前，自由光瞳照明系统的技术方案包括以下几种：

1、在光瞳面设置挡板，或者设置透过率分布变化的玻璃平板，直接改变光瞳面的能量分布。该方案最为简单，而且可以应用在任意的光学系统中，但只能得到预设的光瞳分布，且光瞳切换速度较慢。

2、使用衍射光学元件(Diffraction Optical Element，DOE)，通过选择不同远场分布的DOE，在光瞳面得到相应的能量分布。该方案常用于激光器作为光源的曝光系统中，能量利用率有所提高，但同样只能得到预设的光瞳分布，光瞳切换速度较慢，而且DOE的价格较高。

3、使用微反射镜阵列元件(Minute Mirror Array，MMA)，改变MMA中任意反射镜的反射角度，在光瞳面得到相应的能量分布。该方案常用于激光器作为 光源的曝光系统中，能量利用率高，可以形成任意的光瞳分布，且光瞳切换速度较快，是目前最有前景的应用方案。但本方案研发制作成本较高，形成相应光瞳能量分布的计算方法非常复杂。

随着LED光源技术的发展，LED光源的功率越来越接近现代半导体工业大功率高强度的需求，LED光源有很大的应用前景。LED光源一般包括基板，基板上有LED灯芯，LED灯芯外是封装树脂。LED光源具有体积小、寿命长、出射光功率易于控制等特点，在不同使用场景下，LED光源通过使用不同的能量收集和匀光器件来满足需求。

技术实现要素：

本发明提供一种自由光瞳照明方法及照明系统，利用LED光源，解决现有的自由光瞳照明系统切换速度慢、成本高、计算方法复杂等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种自由光瞳照明方法，包括如下步骤：

步骤1、设置LED阵列光源，所述LED阵列光源由若干LED光源组合而成，具有光源主轴；

步骤2、设置可变视场光阑在所述光源主轴上；

步骤3、设置控制单元，所述控制单元与所述LED阵列光源和可变视场光阑分别连接；

步骤4、根据所需光瞳能量分布需求，及曝光视场范围，通过所述控制单元控制相应的LED光源出射光的功率，及所述可变视场光阑的拦光范围，完成相应的自由光瞳照明。

较佳地，还包括：

步骤5、测试整个视场范围内，光瞳能量分布是否符合需求，如果不符合，修正各LED光源出射光的功率。

较佳地，所述LED阵列光源由若干个同一类型的LED光源按照圆形的排列方式紧密排布组合而成，且若干个LED光源关于所述LED阵列光源中心对称分布。

较佳地，每个所述LED光源均与所述控制单元相连。

较佳地，所述LED阵列光源的波长为365nm、248nm或以下。

较佳地，所述LED阵列光源的出射截面为24mm。

本发明还提供了一种自由光瞳照明系统，包括LED阵列光源、第一中继镜组、匀光单元、可变视场光阑、第二中继镜组以及控制单元，所述LED阵列光源、第一中继镜组、匀光单元、可变视场光阑以及第二中继镜组依次排列，所述第一中继镜组、匀光单元以及可变视场光阑设置在所述LED阵列光源的主轴上，所述控制单元与所述LED阵列光源和可变视场光阑分别连接，用于根据光瞳能量分布需求，及曝光视场范围，通过所述控制单元控制所述LED阵列光源出射光的功率，及所述可变视场光阑的拦光范围，完成相应的自由光瞳照明。

较佳地，所述匀光单元包括微透镜阵列和汇聚镜组，所述汇聚镜组的入瞳面位于所述微透镜阵列的后表面。

较佳地，所述微透镜阵列的前表面位于所述第一中继镜组的像面。

较佳地，所述可变视场光阑位于所述汇聚镜组的像面。

较佳地，所述第二中继镜组的物面位于所述汇聚镜组的像面。

较佳地，所述微透镜阵列包括两块相同的微透镜，每块微透镜由前后两面分别相互垂直的柱面镜叠加而成。

较佳地，所述汇聚镜组和可变视场光阑之间还设有石英棒。

较佳地，所述石英棒的入光端面位于所述汇聚镜组的像面，所述可变视场光阑位于所述石英棒的出光端。

较佳地，所述第一中继镜组的物面位于所述LED阵列光源的出光端。

与现有技术相比，本发明提供的一种自由光瞳照明方法及照明系统具有如下优点：

1、本发明所提供的技术方案，利用控制单元控制LED阵列光源成像在照明系统的光瞳面上，通过调制LED阵列光源，实现自由光瞳照明模式，起到提升光刻机投影物镜焦深的作用；

2、本发明可实现任意形状的自由光瞳照明模式，且光瞳切换速度较快；

3、本发明相较于现有技术中使用衍射光学元件和微反射镜阵列的方案，成本低廉；

4、本发明结构简单，便于安装调试，且安全性更高。

附图说明

图1为本发明实施例一的自由光瞳照明系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一的自由光瞳照明系统中LED阵列光源的排布示意图；

图3本发明一具体实施方式的自由光瞳照明方法的流程图；

图4-7分别为本发明中LED阵列光源的不同照明模式示意图；

图8为本发明实施例二的自由光瞳照明系统的结构示意图。

图中：10-LED阵列光源、11-LED光源、101A-环形照明模式、101B-四极照明模式、101C-Y向二极照明模式、101D-X向二极照明模式、20-第一中继镜组、30-匀光单元、31-微透镜阵列、32-汇聚镜组、40-可变视场光阑、50-第二中继镜组、60-控制单元、70-石英棒。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

本发明提供的一种自由光瞳照明系统，如图1所示，包括LED阵列光源10、第一中继镜组20、匀光单元30、可变视场光阑40、第二中继镜组50以及控制单元60，所述LED阵列光源10、第一中继镜组20、匀光单元30、可变视场光阑40以及第二中继镜组50依次排列，所述第一中继镜组20、匀光单元30以及可变视场光阑40设置在所述LED阵列光源10的主轴上，所述控制单元60与所述LED阵列光源10和可变视场光阑40分别连接。本发明使用LED阵列光源10，通过第一中继镜组20和第二中继镜组50成像在光刻照明系统的光瞳面上，起到提升光刻机投影物镜焦深的作用，再通过使用匀光单元30匀光，以使光束能量分布均匀，通过调制LED阵列光源10的出射光的功率，即可在光瞳面得到所需的能量分布，即实现了自由光瞳照明模式。本发明光瞳调制原理与结构简单，便于安装调试与控制，安全性高，模式切换速度快，且成本低廉。

较佳地，请重点参考图2，所述LED阵列光源10由若干个同一类型的LED光源11按照圆形的排列方式紧密排布组合而成，且若干个LED光源11关于所 述LED阵列光源10中心对称分布，换句话说，所述LED光源11为朗伯分布，本实施例中，所述LED光源11的数量为307个，整个所述LED阵列光源10的出射截面的直径为24mm。

较佳地，每个所述LED光源11均与所述控制单元60相连，也就是说，控制单元60可对每个LED光源11进行单独控制，具体地，控制单元60控制LED阵列光源10中各个LED光源11出射光的功率，改变照明光瞳的能量分布，形成自由光瞳照明，如果控制所有LED光源11全部以同样的功率发光，则会形成传统的圆形光瞳，本发明中，光瞳模式切换速度较快。

较佳地，LED阵列光源10发出的光经过LED光源基底反射面反射，在光源出射截面形成近似圆形的光斑，所述第一中继镜组20的物面位于所述LED阵列光源10的出光端，将LED阵列光源10放大传递到匀光单元30，即照明系统的光瞳面上，由于LED阵列光源10的出射NA(数值孔径)较大，所以通过第一中继镜组20后，第一中继镜组20像面NA减小，更利于后续匀光单元30的匀光效果；所述匀光单元30包括微透镜阵列31和汇聚镜组32，所述微透镜阵列31的前表面位于所述第一中继镜组20的像面，所述汇聚镜组32的入瞳面位于所述微透镜阵列31的后表面，所述微透镜阵列31和汇聚镜组32对光束进行匀光，在汇聚镜组32的像面形成均匀照明视场；所述可变视场光阑40位于所述汇聚镜组32的像面，在扫描曝光过程中，可通过控制单元60控制所述可变视场光阑40的拦光范围，改变扫描曝光过程中的视场大小；所述第二中继镜组50的物面位于所述汇聚镜组32的像面，第二中继镜组50把均匀视场放大，并在第二中继镜组50的像面形成均匀性满足要求的均匀性照明视场。

较佳地，所述微透镜阵列31包括两块相同的微透镜，每块微透镜由前后两面分别相互垂直的柱面镜叠加而成，可以将照射在微透镜阵列31前表面的光束分解成多个子照明视场，利用汇聚镜组32将这些子照明视场都成像在汇聚镜组32的像面，则在汇聚镜组32的像面形成一定视场大小和一定NA的均匀照明视场。

较佳地，所述LED阵列光源10的波长为365nm、248nm或更短波长。

请重点参考图3，并结合图1，本发明还提供了一种自由光瞳照明方法，包括如下步骤：

步骤1、设置LED阵列光源10，所述LED阵列光源10由若干LED光源11组合而成，具有光源主轴；

步骤2、设置可变视场光阑40在所述光源主轴上；

步骤3、设置控制单元60，所述控制单元60与所述LED阵列光源10和可变视场光阑40分别连接；

步骤4、根据所需光瞳能量分布需求，及曝光视场范围，通过所述控制单元60控制相应的LED光源11出射光的功率，及所述可变视场光阑40的拦光范围，完成相应的自由光瞳照明。

较佳地，还包括：

步骤5、测试整个视场范围内，光瞳能量分布是否符合需求，如果不符合，修正各LED光源11出射光的功率。

具体地，请重点参考图4，控制LED阵列光源10的出射光功率，令中间部分的LED光源11不发光，则会形成环形光瞳，即得到环形照明模式101A。控制发光LED光源11和不发光LED光源11的范围，即可调节环形照明光瞳的大小。

请重点参考图5，控制LED阵列光源10的出射光功率，令四极部分的LED光源11发光，其他LED光源11不发光，则会形成四极照明光瞳，即得到四极照明模式101B。控制发光LED光源11和不发光LED光源11的范围，即可调节四极照明光瞳的大小和四极的位置。

请重点参考图6，控制LED阵列光源10的出射光功率，令垂向二极部分的LED光源11发光，其他LED光源11不发光，则会形成Y向二极照明光瞳，即得到Y向二极照明模式101C。控制发光LED光源11和不发光LED光源11的范围，即可调节Y向二极照明光瞳的大小和二极的位置。

请重点参考图7，控制LED阵列光源10的出射光功率，令横向二极部分的LED光源11发光，其他LED光源11不发光，则会形成X向二极照明光瞳，即得到X向二极照明模式101D。控制发光LED光源11和不发光LED光源11的范围，即可调节X向二极照明光瞳的大小和二极的位置。

需要说明的是，所述LED阵列光源10可以快速形成曝光系统常用的照明光瞳分布，包括但不限于传统圆形照明、环形照明、四极照明和二极照明，也可以 形成任意分布的照明光瞳分布。

实施例二

较佳地，请重点参考图8，本实施例与实施例一的区别在于：所述汇聚镜组32和可变视场光阑40之间还设有石英棒70，具体地，所述石英棒70的入光端面位于所述汇聚镜组32的像面，所述可变视场光阑40位于所述石英棒70的出光端。本实施例中，增加了石英棒70，具体地，微透镜阵列32和汇聚镜组32进行一级匀光，石英棒70的入光端面位于汇聚镜组32的像面，对入射光进行二级匀光，则在石英棒70的出光端形成更加均匀的照明视场。可变视场光阑40位于石英棒70的出光端，在扫描曝光过程中，可变视场光阑40可以改变均匀照明视场的视场大小。第二中继镜组50的物面同样位于石英棒70的出光端，将可变视场光阑40改变后的均匀照明视场放大传递到第二中继镜组50的像面，形成一定视场大小和一定NA的均匀照明视场。

综上所述，本发明提供的一种自由光瞳照明方法及照明系统，该方法包括如下步骤：步骤1、设置LED阵列光源10，所述LED阵列光源10由若干LED光源11组合而成，具有光源主轴；步骤2、设置可变视场光阑40在所述光源主轴上；步骤3、设置控制单元60，所述控制单元60与所述LED阵列光源10和可变视场光阑40分别连接；步骤4、根据所需光瞳能量分布需求，及曝光视场范围，通过所述控制单元60控制相应的LED光源11出射光的功率，及所述可变视场光阑40的拦光范围，完成相应的自由光瞳照明。本发明通过调制LED阵列光源10中各个LED光源11出射光的功率，即可在光瞳面得到所需的能量分布。本发明光瞳调制原理与结构简单，便于安装调试，安全性高，模式切换速度快，成本低廉。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。