专利名称：一种193nm浸没式光刻照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明系统，特别是关于一种含有亚波长偏振分束器的193nm浸 没式光刻照明系统。
背景技术：
光刻是大规模集成电路制造的核心技术，每一代新集成电路的出现，往往以光 刻工艺实现更小特征尺寸为主要技术标志。于是，人们通过不断减小光刻机的曝光 波长、增大投影物镜的数值孔径或者将二者结合的方法，以获得更小的特征尺寸。 目前，光刻机的曝光波长已经从436nm、 365nm、 248nm减小到了 193nm，同时液体 浸没技术也将投影物镜的数值孔径从0. 93增大到了 1. 3以上。IC业界普遍认为， 193nra浸没式光刻机已逐步成为45nm、 32nm工艺的主流光刻设备。由于193mn浸 没式光刻机中的投影物镜具有较大数值孔径，因此其成像质量与照明系统中出射的 照明光波偏振方向密切相关。
在光刻机照明系统中，照明光波经过掩模后发生衍射，掩模像是由透射光中的 零级衍射光和一级衍射光在表面涂布有光刻胶的半导体基片上发生干涉形成的。两 束光能够发生干涉的必要条件之一是二者的偏振方向相同。如图1所示，当照明光 (即入射光)采用振动方向与掩模1上线条方向平行的TE线偏振光时，TE线偏振 光经过掩模1后发生衍射，零级衍射光束和一级衍射光束经过投影物镜2后会聚到 表面涂布有光刻胶的半导体基片3上，在半导体基片3上发生干涉。此时，零级衍 射光与一级衍射光的振动方向相同，均与掩模l上的线条方向平行，且二者的振动 方向不会随二者夹角的变化而改变。因此，干涉光束将在半导体基片3上形成高对 比度的掩模像。然而，如图2所示，当照明光为振动方向与掩模线条垂直的TM线 偏振光时，则入射到半导体基片3上的两干涉光束的振动方向之间将产生一夹角， 并且随着投影物镜2数值孔径的增大，即干涉光束间夹角的增大，干涉光束振动方 向之间的夹角也随之增大，这就破坏了干涉的必要条件，势必造成掩模像对比度的 下降。
目前，传统的照明系统大多采用非偏振光照明，而非偏振光中含有正交的TE 和TM两种线偏振光，其中TE线偏振光的光振动方向垂直于入射面，TM线偏振光的 光振动方向平行于入射面，而在照明光中，TM线偏振光的存在会减低掩模的成像对 比度。因此，193nm浸没式光刻照明系统中需要一针对波长为193nm的偏振分束器将TE和TM两种线偏振光在空间中分开，选取振动方向与掩模上线条方向平行的TE 线偏振光作为工作光波，以进一步提高投影物镜的成像质量，进而提高光刻分辨率 和光刻条纹均匀性。适用于193mn浸没式光刻照明系统的偏振分束器需具有以下特 性第一，仅针对193nm波长的光波提供高消光比和高透过率的偏振分光；第二， 由于光刻使用的193nm激光器功率较大，因此要求偏振分束器具有很高的损伤阀值， 并能够在高强度激光环境中稳定工作；第三，为了减小照明系统的体积和降低装配 难度，要求偏振分束器为结构紧凑的单片器件。
传统的偏振分束器包括基于晶体双折射效应的偏振分光棱镜和具有偏振选择 性的多层介质膜，这些偏振分束器可以在较宽的波段范围内实现偏振分光。但是， 传统偏振分束器中偏振分光棱镜所采用的天然晶体材料双折射率较小，只有采用大 块的晶体才能将TE、 TM线偏振光分开，然而这样会导致偏振分光棱镜体积过大， 而且光能利用率低，更为重要的是，适用于193nm的晶体材料十分稀缺，价格昂贵。 传统薄膜偏振分束器中的多层介质薄膜的损伤阀值较低，在193nm光刻照明系统的 高强度激光环境下，无法使用；而且多层介质薄膜的薄膜层数只有达到几十层甚至 更多层，才能获得高消光比，这样不仅加工困难，而且精度不易保证。因此，研制 适用于193mn浸没式光刻照明系统的偏振分束器成为一项亟待解决的任务。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能大幅度提高193mn浸没式光刻机投 影物镜成像对比度的含有亚波长偏振分束器的193nm浸没式光刻照明系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种193nm浸没式光刻照明系统， 其特征在于它包括一 193nmArF准分子激光器、 一分离TE线偏振光和TM线偏振 光用的亚波长偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜和一透镜；其中，所述偏振分 束器包括一熔融石英材料的基底，所述基底表面上周期性刻蚀有若干平行的矩形沟 fe，相邻两所述沟槽之间的距离为100 110nm，每一所述沟槽的刻蚀深度为185 195nra;相邻两所述沟槽之间的背脊宽度与相邻两所述沟槽间距离的比值为0. 4 0.6，所述背脊上的法线与所述激光器出射的光线方向呈布拉格角ei;所述第一反 射镜设置在所述偏振分束器出射的TE线偏振光方向上，所述第二反射镜设置在所 述第一反射镜出射的反射光方向上；所述透镜设置在所述第二反射镜出射的反射光 方向上；所述第二反射镜出射的反射光方向与所述透镜之间设置有一扩束器。
所述布拉格角9i=sin—、A/2d)，式中A为入射光波波长，d为相邻两所述沟槽 之间的距离。
相邻两所述沟槽之间的距离为104nra，每一所述沟槽的刻蚀深度为189nm，相邻两所述沟槽之间的背脊宽度与相邻两所述沟槽间距离的比值为0.5，所述布拉格
角6尸65° 。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明包括一 193nm ArF (氟化氩)准分子激光器、 一亚波长偏振分束器、二反射镜、 一具有针孔的扩 束器和一透镜，且偏振分束器的基底上周期性地刻蚀有若干平行沟槽，相邻两沟槽 之间距离为100 110nm，每一沟槽的刻蚀深度为185 195nm，相邻两沟槽之间的 背脊的宽度与沟槽间距离的比值(占空比)为0. 4 0.6，经过激光器出射的光波经过 偏振分束器上的沟槽后，光偏振度为99. 34%的TE线偏振光被分离出来并作为工作 光波，因此本发明能够大幅度提高193nm浸没式光刻机投影物镜成像对比度。2、 本发明由于采用了普通熔融石英作为亚波长偏振分束器的基底材料，熔融石英具有 较高的损伤阀值和较小的热膨胀系数，因此本发明中的偏振分束器能在高强度的激 光环境下稳定地工作。3、由于本发明的偏振分束器上相邻两沟槽之间距离为100 110nm，小于入射光波波长193nm，根据矢量衍射理论，不会因产生高级次的衍射光 而分散了入射光能量，经矢量计算，TE线偏振光的透过率为80%，因此本发明具 有很高的光能利用率。4、由于本发明中的偏振分束器每一沟槽的刻蚀深度为185 195nm，仅为亚微米量级，因此结构简单，十分易于集成。
图1是照明光为TE线偏振光时掩模的成像原理图
图2是照明光为TM线偏振光时掩模的成像原理图
图3是本发明的结构示意图
图4是本发明中亚波长偏振分束器的结构示意图
图5是含有本发明的193nm浸没式光刻机成像对比度随投影物镜数值孔径变化 关系曲线
具体实施例方式
下面结合实施例，对本发明进行详细的描述。
如图3、图4所示，本发明包括一193nmArF准分子激光器4、 一亚波长偏振分 束器5、第一反射镜6、第二反射镜7和一透镜8。其中，偏振分束器5包括一基底 51，基底51表面上周期性地刻蚀有若干平行的沟槽52，沟槽52的形状为矩形。相 邻两沟槽52之间距离的范围为100 110nm。每一沟槽52的刻蚀深度范围为185 195nm，且相邻两沟槽52之间的背脊53的宽度与相邻两沟槽间距离的比值，即占 空比为0. 4 0. 6，基底51的材料为熔融石英。背脊53上的法线与激光器4出射的 光线方向成布拉格角0"以分离激光器4出射的TE线偏振光和TM线偏振光，并选出TE线偏振光作为照明光波。其中e^sin—、A/2d)， A为入射光波波长，d为相 邻两沟槽52之间距离。第一反射镜6设置在偏振分束器5出射的TE线偏振光方向 上，第二反射镜7设置在第一反射镜6出射的反射光方向上。透镜8设置在第二反 射镜7出射的反射光方向上，且正对掩模l。第二反射镜7出射的反射光方向与透 镜8之间设置有一针孔扩束器9，扩束器9由一放大倍率为40X的显微物镜和直径 为15pni的针孔组成，针孔设置在第二反射镜7出射的反射光方向上。
如图1、图4所示，本发明工作时，激光器4出射的光波以布拉格角Qi = 65" 入射到偏振分束器5上，经过偏振分束器5后，入射光波中的TM线偏振光所激发 导模间的位相差为2n的整数倍，因此TM导模干涉相长，TM线偏振光将直接沿零 级光方向透射；而入射光波中TE线偏振光激发导模间的位相差为n的奇数倍，因 此TE导模干涉相消，TE线偏振光将直接沿一1级衍射方向传播，从而实现了TM线 偏振光与TE线偏振光在空间上的分离。TE线偏振光入射到第一反射镜6上，再经 过第一反射镜6反射到第二反射镜7上，然后依次经过扩束器9扩束和透镜8准直 后，作为照明光束入射到掩模l上。
下面结合具体实施例对本发明产生的TE线偏振光和TM线偏振光的偏振度、透 过率进行进一步计算。
本实施例中，本发明的基底5上相邻两沟槽52之间距离为104nm，刻蚀深度为 189ran，背脊53的占空比为0. 5，贝ij e fsin—1 (入/2d)=65° 。根据矢量衍射理论， 求得-1级透射衍射光中TE线偏振光对TM线偏振光的消光比]^/1 为300: 1，零级 透射衍射光中TM线偏振光对TE线偏振光的消光比:U/lTE为753: 1， TE线偏振光的 透过率为80%， TM线偏振光的透过率为90%。根据上述求得的TE线偏振光对TM 线偏振光的消光比和TM线偏振光对TE线偏振光的消光比，TE线偏振光的偏振度为 (ITE-1 ) / (ITE+I ) =99. 34%， TM线偏振光的偏振度为(Itm-Ite) / (ITM+ITE) =99. 73 %。
如图5所示，上述实施例中，图中显示的b曲线是193nm浸没式光刻机采用本 发明中偏振分束器5分离出的偏振度为99. 34%的TE线偏振光照明时，成像对比度 随投影物镜2数值孔径变化的关系曲线。图中显示的a曲线是193nm浸没式光刻机 中照明系统采用传统非偏振光照明时，成像对比度随投影物镜2数值孔径变化的关 系曲线。比较曲线a和b，当投影物镜2的数值孔径大于1.0时，曲线a的成像对 比度随着投影物镜2的数值孔径的增大急剧减小，而曲线b的成像对比度一直稳定 在0. 9以上。目前，193nm浸没式光刻机投影物镜2的数值孔径已超过1. 3，在本 发明中采用亚波长偏振分束器5产生的TE线偏振光照明，掩模1经过投影物镜2成像的对比度将得到显著提高。
上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的， 在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发 明的保护范围之外。
权利要求
1、一种193nm浸没式光刻照明系统，其特征在于它包括一193nmArF准分子激光器、一分离TE线偏振光和TM线偏振光用的亚波长偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜和一透镜；其中，所述偏振分束器包括一熔融石英材料的基底，所述基底表面上周期性刻蚀有若干平行的矩形沟槽，相邻两所述沟槽之间的距离为100～110nm，每一所述沟槽的刻蚀深度为185～195nm；相邻两所述沟槽之间的背脊宽度与相邻两所述沟槽间距离的比值为0.4～0.6，所述背脊上的法线与所述激光器出射的光线方向呈布拉格角θi；所述第一反射镜设置在所述偏振分束器出射的TE线偏振光方向上，所述第二反射镜设置在所述第一反射镜出射的反射光方向上；所述透镜设置在所述第二反射镜出射的反射光方向上；所述第二反射镜出射的反射光方向与所述透镜之间设置有一扩束器。
2、 如权利要求l所述的一种193nm浸没式光刻照明系统，其特征在于所述 布拉格角9产sin—U入/2d)，式中A为入射光波波长，d为相邻两所述沟槽之间的距离。
3、如权利要求1或2所述的一种193nm浸没式光刻照明系统，其特征在于 相邻两所述沟槽之间的距离为104nm，每一所述沟槽的刻蚀深度为189nm，相邻两 所述沟槽之间的背脊宽度与相邻两所述沟槽间距离的比值为0.5，所述布拉格角 0i=65° 。
全文摘要
本发明涉及一种193nm浸没式光刻照明系统，它包括193nmArF准分子激光器、分离TE线偏振光和TM线偏振光用的亚波长偏振分束器、反射镜和透镜；偏振分束器包括一熔融石英材料的基底，基底表面上周期性刻蚀有若干平行的沟槽，相邻两沟槽之间的距离为100～110nm，每一沟槽的刻蚀深度为185～195nm；相邻两沟槽之间的背脊宽度与沟槽间距离的比值为0.4～0.6，背脊上的法线与激光器出射的光线方向呈布拉格角θ<sub>i</sub>；第一反射镜设置在偏振分束器出射的TE线偏振光方向上，第二反射镜设置在第一反射镜出射的反射光方向上；透镜设置在第二反射镜出射的反射光方向上；第二反射镜出射的反射光方向与透镜之间设置有一扩束器。本发明提供的TE线偏振光照明大幅度地提高了193nm浸没式光刻机投影物镜的成像对比度。
文档编号G03F7/20GK101526755SQ20091008261
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者康果果, 谭峭峰, 金国藩 申请人:清华大学