使用包括衍射光学元件的照明系统制造半导体器件的方法.pdf

一种包括衍射光学元件(DOE)的照明系统，具有粗糙表面的衍射光学元件(DOE)产生一种照明形状。包括粗糙表面的DOE产生具有角范围要素的多极照明形状，其中角范围要素是产生的多极照明形状的径向和角度的函数，以及其中角范围中的极点位置和极点尺寸随用于产生多极照明形状的径向范围而变化，以及使用该系统制造半导体器件的方法。

1、  一种用于光刻工艺的衍射光学元件(DOE)，包括粗糙表面的DOE产生具有角范围要素的多极照明形状，其中角范围要素是产生的多极照明形状的径向和角度的函数，以及其中角范围中的极点的位置和极点的尺寸随用于产生多极照明形状的径向范围而改变。

2、  如权利要求1的DOE，其中每个极点的尺寸根据使用的径向范围而改变。

3、  如权利要求2的DOE，其中多极照明形状是交叉极照明形状，以及其中当用于产生多极照明形状的径向范围接近原点时，位于y轴上的极点的尺寸增加以及位于x轴上的极点的尺寸减小。

4、  如权利要求2的DOE，其中由I(r，θ)给出多极照明形状，I(r，θ)表示为径向范围要素A(r)与角范围要素C(r，θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标，以及其中如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0，以及如果0＜θ＜ar+b和cr+d＜θ＜∏/2，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是0，a＞0并且c＜0，相邻极点之间的尺寸比(ar+b)/(∏/2-(cr+d))是r的函数。

5、  如权利要求1的DOE，其中角方向中的极点位置根据使用的径向范围而改变。

6、  如权利要求5的DOE，其中当使用的径向范围接近原点时，极点的位置更靠近x轴。

7、  如权利要求5的DOE，其中通过I(r，θ)给出多极照明形状，I(r，θ)表示为径向范围要素A(r)与角范围要素C(r，θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标，以及其中如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0，以及如果ar+b＜θ＜ar+c，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是1，a＞0和b＜c，极点的极点位置(2ar+b+c)/2是r的函数。

8、  如权利要求1的DOE，其中照明形状是四极或交叉极。

9、  一种用于制造半导体器件的照明系统，该系统包括：
光源；
具有粗糙表面的衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件(DOE)将从光源输出的光束分开，以产生第一多极照明形状，其中该DOE决定第一多极点照明形状之间的相互角度；
可变放大倍率变焦透镜，该透镜放大来自DOE的第一多极照明形状；
环形孔径，有选择地允许放大的第一多极照明形状通过，由此产生第二多极照明形状；以及
聚光透镜，聚光第二照明形状并将第二多极照明形状导向制版片，
其中DOE与可变放大倍率变焦透镜和环形孔径结合使用，以产生取决于用来产生第一多极照明形状的径向范围的第二多极照明形状，DOE产生具有角度和径向的第一多极照明形状。

10、  如权利要求9的照明系统，其中第一多极照明形状的极点尺寸根据使用的径向范围而改变。

11、  如权利要求10的照明系统，其中第一多极照明形状是交叉极照明形状，以及其中当用来产生多极照明形状的径向范围接近原点时，位于y轴上的极点的尺寸增加以及位于x轴上的极点的尺寸减小。

12、  如权利要求10的照明系统，其中由I(r，θ)给出第一多极照明形状，I(r，θ)表示径向范围要素A(r)与角范围要素C(r，θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标，以及如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0，以及如果0＜θ＜ar+b和cr+d＜θ＜∏/2，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是0，a＞0和c＜0，相邻极点之间的尺寸比(ar+b)/(∏/2-(cr+d))是r的函数。

13、  如权利要求9的照明系统，其中DOE产生第一多极照明形状，其中径向方向中的每个极点的位置根据用来产生第一多极照明形状的径向范围而改变。

14、  如权利要求13的照明系统，其中DOE产生第一多极照明形状，其中当径向范围接近原点时，每个极点的位置更靠近x轴。

15、  如权利要求13的照明系统，其中由I(r，θ)给出第一多极照明形状，I(r，θ)表示径向范围要素A(r)与角范围要素C(r，θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标，以及如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0，以及如果ar+b＜θ＜ar+c，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是1，a＞0和b＜c，极点的有效极点位置(2ar+b+c)/2是r的函数。

16、  如权利要求9的照明系统，其中第一照明形状是四极或交叉极。

17、  如权利要求9的照明系统，还包括用于均匀放大的第一照明形状的强度的均匀透镜。

18、  一种制造半导体器件的方法，该方法包括：
提供涂有光敏薄膜的衬底；以及
使用激光源，以将衬底上的制版片的掩模图形投射到光敏薄膜上，其中具有粗糙表面的衍射光学元件(DOE)根据使用的径向范围产生不同形状的多极照明，其中多极照明形状用来将掩模图形投射到衬底上，以及其中具有角范围的多极照明形状取决于产生的多极照明形状的半径和角度。

19、  如权利要求18的制造半导体器件的方法，其中多极照明形状包括各种尺寸的极点，以及其中每个极点是不同尺寸。

20、  如权利要求18的制造半导体器件的方法，其中多极照明形状包括极点，以及其中角范围内的极点的位置根据使用的径向范围而改变。

使用包括衍射光学元件的照明系统 制造半导体器件的方法
与相关申请的关系
本申请要求2003年7月24日申请的韩国专利申请号2003-51118的优先权，在此将其全部引入作为参考。
技术领域
本发明一般涉及用于制造半导体器件的光刻设备的照明系统，更具体涉及使用提供多极照明的衍射光学元件(DOE)的照明系统。
背景技术
一般，具有照明系统的光刻设备用来获得用于在半导体器件上形成精细图形的最佳照明条件。例如，图1是包括衍射光学元件(DOE)的常规照明系统的示意图。参考图1，常规照明系统100包括常规DOE10。DOE 10将从光源(未示出)投射的激光束5分为几个光束，确定分光束的相互角度，以及提供多极照明形状如四极、二级或交叉极。图2示出了图1中的常规DOE的剖面图。参考图2，DOE 10是非球形光-衍射器件，该器件装备有由基体材料11的表面上的预定间距和深度形成的粗糙表面13。
照明系统100通过投射穿过DOE 10的激光束5产生四极照明15。当穿过变焦透镜20时决定四极照明15的内部和外部∑σ。此后。四极照明15被镜子M1和M2反射，并穿过聚光四极照明15的聚光透镜25。然后，聚光的四极照明被导向制版片(reticle)30，其中通过投射透镜35将制版片30的掩模图形投射到晶片40上。
具有上述照明系统100的光刻设备的优点是光强度不因为阻挡部分光的孔径而减小，不需要形成多极。此外，极点可以被放大或缩小，以及通过变焦透镜20可以改变极点径向范围。
但是，一旦通过DOE 10确定了照明条件，即四极、二级、交叉极等，那么角范围中的极点的位置和极点的相对尺寸就不可以被调整。
图3示出了通过图1的DOE产生的四极照明15的形状。在此情况下，照明形状I(r，θ)可以表示为径向范围要素A(r)与角范围要素C(θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标。如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0。如果b＜θ＜c，那么C(θ)是0(b和c是常量)。角范围中的极点的位置固定为(b+c)/2，与r_inner和r_outer无关。常规四极照明15具有四个极点15a、15b、15c以及15d，每个位于xy-平面的不同象限内且关于x和y轴对称。
图4示出了通过另一常规DOE产生的常规交叉极照明55的形状。在此情况下，照明形状I(r，θ)可以表示为径向范围A(r)与角范围要素C(θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标。只有当r_inner＜r＜r_outer时，A(r)是1，否则A(r)是0。如果0＜θ＜b和d＜θ＜∏/2，那么C(θ)是1，否则C(θ)是0。极点之间的面积比b/(∏/2-d)固定。亦即，极点55a、55b、55c以及55d之间的角度每个是∏/2，且这些极点位于x和y轴上。
因此，通过取决于C(θ)的常规DOE形成的照明形状仅仅是θ的函数，与r无关。因此，即使使用的径向范围改变，角范围中的极点位置和极点的相对尺寸也不改变。由此，常规DOE几乎没有灵活性(pliability)。而且，为了设计最佳的照明，要求每个极点具有不同的尺寸。但是，通过使用已经体现了最佳照明条件的常规DOE体现其他照明条件是十分困难的。
因此，常规DOE中的问题包括由于固定的照明模式灵活量小、改变极点的位置和尺寸的困难，以及选择和组合照明条件的困难。
因此，衍射光学元件(DOE)存在一个需要：产生多极照明形状且能够根据使用的径向范围改变多极照明形状的极点位置和极点尺寸。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了产生多极照明形状且能够根据使用的径向范围改变多极照明形状的极点尺寸和位置的衍射光学元件(DOE)。
在本发明的一个方面，使用DOE产生多极照明形状。在本发明的另一方面，提供一种用于制造半导体器件的照明系统，该照明系统能根据用于产生多极照明形状的径向范围改变角方向中的极点的位置和极点的尺寸。
根据本发明地示例性实施例，提供一种衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件(DOE)产生用于半导体器件的光刻工艺的多极照明形状。包括粗糙表面的DOE产生多极照明形状，多极照明形状具有角范围要素，该角范围要素是产生的多极照明形状的径向和角度的函数，以便多极照明形状的极点位置和尺寸随使用的径向范围而改变。
根据另一示例性实施例，具有粗糙表面的DOE产生多极照明形状，其中每个极点的尺寸根据使用的径向范围而改变。多极照明形状是交叉极照明形状，且当使用的径向范围接近原点时，位于y轴上的极点的尺寸增加以及位于x轴上的极点的尺寸减小。
根据另一示例性实施例，具有粗糙表面的DOE产生多极照明形状，多极照明形状具有角范围中的极点，其中角范围中的极点位置根据使用的径向范围而改变。具有粗糙表面的DOE也可以产生多极照明形状，其中当使用的径向范围接近原点时，极点的位置更接近x轴。
根据本发明的又一示例性实施例，用于制造半导体器件的照明系统包括光源，具有粗糙表面的衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件(DOE)将从光源输出的光束分开，以产生第一多极照明形状，其中DOE决定第一多极点照明形状之间的相互角度，可变放大倍率变焦透镜，该透镜放大来自DOE的第一多极照明形状，环形孔径，该环形孔径有选择地允许放大的第一多极照明形状通过，由此产生第二多极照明形状，以及聚光透镜，该聚光透镜聚光第二多极照明形状，并将第二多极照明形状导向制版片，其中DOE与可变放大倍率变焦透镜和环形孔径组合使用，以产生取决于产生第一多极照明形状使用的径向范围的第二多极照明形状，DOE产生具有角度和径向的第一多极照明形状。
通过结合附图阅读下面详细描述的示例性实施例，本发明这些及其他示例性实施例、特点、方面和优点将变得更明显。
图1是包括常规衍射光学元件(DOE)的常规照明系统的示意图。
图2示出了图1中的常规DOE的剖面图。
图3示出了通过图1的常规DOE产生的四极照明的形状。
图4示出了通过另一常规DOE产生的交叉极照明的形状。
图5是根据本发明的示例性实施例用于制造半导体器件的照明系统的示意图。
图6示出了从图5的DOE输出的第一多极照明形状。
图7A和7B示出了根据本发明的另一示例性实施例，从图6的第一多极照明形状所得的各个第二多极照明形状。
图8示出了根据本发明的又一示例性实施例，从DOE输出的第一多极照明形状。
图9A和9B示出了根据本发明的再一示例性实施例，从图8的第一多极照明形状所得的各个第二多极照明形状。
图10A是根据本发明的再一示例性实施例的环形照明形状。
图10B是根据本发明的另一示例性实施例的DOE的顶视图。
下面参考附图更完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可以以多种不同的方式体现，不应该认为局限于在此阐述的示例性实施例；相反地，提供这些示例性实施例以便本公开是彻底的和完全的，并将本发明的原理完全传递给所述领域的技术人员。在图中，为了清楚放大了元件的形成。为了便于理解，在图中相同的参考标记始终用于相同的元件。
下面将描述的例子是多极照明如四极和交叉极照明的具体实例。但是，通过根据本发明的衍射光学元件(DOE)可以包括具有更多极的其他照明模式。
图5是根据本发明的示例性实施例用于制造半导体器件的照明系统的示意图。参考图5，具有粗糙表面的DOE 110将来自激光源105的光分为几个光束，并限定光束的相互角度，以形成第一多极照明形状115。多极照明形状115通过穿过可变放大倍率变焦透镜120被放大。然后通过均匀化透镜125给第一多极照明形状115一个均匀的强度，以及当穿过环形孔径130时，决定第一多极照明形状115的径向范围，以形成第二多极照明形状116。此后，第二多极照明形状116被导向光-聚光透镜135，并投射到具有掩模图形的制版片140上。因此，具有粗糙表面的DOE 110产生取决于角度和径向范围的第一照明形状115，DOE110与可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130结合使用产生取决于第一照明形状115的径向范围的第二多极照明形状116。
为了使用照明系统制造半导体器件，将被光敏薄膜覆盖的衬底(未示出)放置在制版片140之下，然后将制版片140的掩模图形投射到光敏薄膜上。通过利用可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130的组合，通过改变第一照明形状116的径向范围形成不同的照明形状。通过该工艺，可以根据掩模图形选择最佳的照明。
通过调整可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130，可以改变每个极点的径向位置，以及通过协调可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130可以调整每个极点的径向宽度。在这种情况下，从DOE 110输出的第一多极照明形状被固定为相互角度的函数。
图6示出了根据本发明的示例性实施例从图5的DOE输出的第一多极照明形状。
如图6所示，第一多极照明形状115涉及四极照明，且极点115a、115b、115c以及115d的形状取决于径向范围。
在此情况下，照明形状I(r，θ)可以表示以及径向范围要素A(r)和角范围要素C(θ)的乘积，其中(r，θ)是极坐标。如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0。如果b＜θ＜c，那么C(θ)是0(b和c是常量)。如果ar+b＜θ＜ar+c，(a，b以及是常量)，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是0。在此情况下，a＞0，b＜c，以及有效的极点位置(2ar+b+c)/2不固定，但是是r的函数。如果这些条件被输入DOE设计程序中，那么粗糙表面可以设计为分开光束以及确定光束的相互角度，以便获得第一多极照明形状115。通过应用DOE设计制造DOE的方法是所述领域的公知技术，该方法包括刻蚀、机械处理、环氧树脂注入、注入模制等。优选，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以用于DOE基体材料，且通过刻蚀形成DOE。
图7A和7B示出了根据本发明的另一示例性实施例从图6的第一多极照明形状115所得的各个第二多极照明形状。
通过在图5的照明系统中安装能够产生第一多极照明形状115的DOE，并调整可变放大倍率变焦透镜120，以致第一多极照明形状115的部分r1穿过环形孔径130，获得图7A中的第二多极照明形状。通过调整可变放大倍率变焦透镜120，以致第一多极照明形状115的部分r2穿过环形孔径130，获得图7B。
当第一多极照明形状115的部分r1穿过环形孔径130时，极点116a1，116b1，116c1，116d1位于x轴附近。但是，当第一多极照明形状115的部分r2穿过环形孔径130时，极点116a2，116b2，116c2和116d2远离x轴。因此，根据本发明的示例性实施例，在角范围中的每个极点的位置取决于产生照明形状中使用的径向范围。
但是，如果图3中的常规四极照明15用于本发明的示例性实施例的照明系统，那么极点的位置不改变。换句话说，常规四极照明中的极点位置不取决于使用的照明形状的径向范围，且极点的位置根据可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130的组合而改变。
图8示出了根据本发明的又一示例性实施例，从衍射光学元件(DOE)输出的第一多极照明形状215。参考图8，第一多极照明215与交叉极照明有关。极点215a和215c的宽度随半径增加而减小，而极点215b和215d的宽度随半径增加而增加。表示为I(r，θ)的照明形状具有径向范围要素A(r)和角范围要素C(r，θ)，其中(r，θ)是极坐标。如果r_inner＜r＜r_outer，那么A(r)是1，否则A(r)是0。如果0＜θ＜ar+b和d＜θ＜∏/2，那么C(r，θ)是1，否则C(r，θ)是0。在此情况下，a＞0、c＜0，并且相邻极点之间的有效极点位置(ar+b)/(∏/2-(cr+d)不固定但是变为r的函数。
图9A和9B示出了根据本发明的再一示例性实施例，从图8的第一多极照明形状所得的各个第二多极照明形状。
通过在图5的照明系统中安装能够产生第一多极照明形状215的DOE，以及调整可变放大倍率变焦透镜120，以致第一多极照明形状215的部分r1穿过环形孔径130，获得图9A中的第二多极照明形状。通过调整可变放大倍率变焦透镜120，以致第一多极照明形状215的部分r2穿过环形孔径130，获得图9B的第二照明形状。
当第一多极照明形状215的部分r1穿过环形孔径130时，位于y轴上的极点216a1和216c1大于位于x轴上的极点216b1和216d1。但是，当第一多极照明形状215的部分r2穿过环形孔径130时，位于y轴上的极点216a2和216c2小于位于x轴上的极点216b2和216d2。因此，极点的相对尺寸根据穿过环形孔径130的第一多极照明形状215的径向范围而改变。
但是，如果图4中的常规交叉极照明55用于本发明的示例性实施例的照明系统，那么因为极点与照明形状使用的径向范围无关，所以极点的相对尺寸不改变。换句话说，常规交叉极照明55的极点尺寸根据可变放大倍率变焦透镜120和环形孔径130的组合而改变。
图10A是根据本发明的再一示例性实施例的环形照明形状，图10B是DOE的顶视图。
为了制造产生图10A中的环形照明形状的DOE，将反映该照明的方程式输入DOE设计程序。亦即，环形照明形状可以表示为1(r)，其中如果r_inner＜r＜r_outer，那么I(r)是1，否则1(r)是0。如果在DOE设计程序中输入该方程式，那么获得如图10B所示的粗糙表面。如果设计程序用来在DOE的基体材料，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中形成粗糙表面，那么产生图10A的环形照明形状。该方法是所述领域技术人员公知的。因此，基于参考图6和8的说明也可以制造根据本发明的DOE。
根据本发明的示例性实施例的DOE产生具有极点的多极照明形状，该极点具有取决于用于产生多极照明形状的径向范围的宽度。根据本发明的另一个示例性实施例的DOE产生多极照明形状，该多极照明形状包括根据径向范围改变尺寸和位置的极点。因此，应当注意它不是设计中的简单改进。此外，优选根据本发明的示例性实施例的DOE用于光刻设备的照明系统。但是，该DOE也可以用于照明系统如照相机和观测设备。
通过可变放大倍率的变焦透镜、环形孔径以及根据本发明的示例性实施例的DOE控制极点的位置和相对尺寸。当设计最佳照明条件时，这些特点对于放大光刻设备和减小试验与误差的数值是十分有用的。光刻设备的处理范围也被提高。
尽管参考其示例性实施例已具体展示和描述了本发明，但是所属领域的普通技术人员应当明白在不脱离附加权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上进行各种改变。