分步投影光刻机的照明光学系统

摘要：阐述了照明光学系统在分步投影光刻机中的重要作用，介绍了当采用部分相干光照明时相干度σ对分辨率的影响，以及Kohler照明中聚光镜像差对成像远心度的破坏与匹配补偿方法；同时介绍了离轴照明技术——SHRINC照明和环形照明——对改善分辨率与增大焦深的作用，最后扼要介绍了综合照明系统和变焦距照明光学系统的设计思想。

引言

在微细加工领域，分步投影光刻机是半导体制造工程中的核心装备，其心脏部件是投影光刻物镜——可以说投影光刻物镜的发展史就是光刻机的发展史。然而，作为投影光刻物镜辅助部分的照明光学系统，与物镜是并肩发展的：高性能的物镜必须在与之相匹配的照明系统的作用下，才能充分发挥其性能。在人们为追求高分辨率、高生产率而绞尽脑汁设计高性能投影光刻物镜的同时，以一种新的观点来进一步探讨和设计照明系统，同样至关重要。

光刻机的照明系统经历了由简到繁的发展过程。早期的接触/接近式光刻机采用光源经准直镜、复眼透镜和聚光镜之后均匀照明掩模的简单结构。分步投影光刻技术出现后，由于需要将掩模上的图形以一定的缩小比（一般为5:1）投影到硅片上，照明系统的设计既要考虑像面照度均匀分布，又要考虑与投影光刻物镜的匹配以及掩模遮挡等问题，最终发展形成了如图2所示的Kohler照明方式。

一、分步投影光刻机的核心性能指标

投影光刻物镜的性能用分辨率 R 和焦深 DOF 两个量来描述。若曝光波长为λ，数值孔径为NA，则：

R = k₁λ/NA

（1）分辨率公式

DOF = k₂λ/NA²

（2）焦深公式

其中k₁和k₂为与工艺相关的参数，经验值分别为k₁ = 0.6~0.8，k₂ = 1。以64Mbit DRAM为例，线宽R = 0.35μm，λ = 0.365μm时，可算得NA = 0.63（k₁ = 0.6），DOF = 0.92μm。

二、部分相干光照明：相干度对分辨率的影响

投影光学系统的分辨率R理论上由公式（1）决定，但实际中还受照明条件——即部分相干光照明时的相干度σ的影响。相干度σ定义为投影光学系统在掩模方的数值孔径NA_照明与NA_掩模之比：

σ = NA_照明 / NA_掩模

（3）相干度定义

当σ = 0时为相干照明，σ ≥ 1时为非相干照明，部分相干照明介于两者之间。一般以传递函数MTF = 0.6所对应的分辨率为有效分辨率判据，部分相干光照明时的有效分辨率高于相干和非相干照明两种情况。在投影光刻中，相干度的最佳范围为 0.5 ≤ σ ≤ 0.7。

三、Kohler照明中聚光镜像差的影响

（一）聚光镜像差对远心度的破坏

Kohler照明中，复眼透镜的第一端面相当于入瞳，成像在掩模上；第二端面相当于灯丝，成像在投影物镜的入瞳处。这种做法兼顾了像面均匀性和与投影光刻物镜的匹配。

目前大多数投影光刻物镜采用双远心设计，在高分辨率光刻中，聚光镜像差（照明系统的像差）最重要的影响是对远心度的破坏。其影响最严重的是聚光镜的离焦量和球差：聚光镜离焦加硅片离焦，造成像的径向偏移，该偏移量随距光轴距离而变化，即等效倍率变化；三级聚光镜球差和硅片离焦，造成与视场呈立方关系的非远心性，其情形与投影光刻物镜的三级畸变相似。

（二）聚光镜像差与投影物镜入瞳像差的匹配

投影光刻物镜的入瞳通常也存在像差（入瞳像差），可通过有目的地引进聚光镜像差来补偿。一般仅考虑对入瞳球差的补偿：入瞳球差改变了不同视场入瞳的轴向位置，使主光线不通过近轴入瞳的轴上点。因此在设计照明光学系统时，应有目的地引进聚光镜球差来补偿入瞳球差。理想情况下应补偿每个视场，实际操作中通常仅补偿边缘视场即可——当聚光镜为无像差时，将边缘视场光线聚焦在入瞳边缘视场的轴上点处，此时非远心性在中间视场最大而非边缘视场。

四、离轴照明对分辨率和焦深的改善

传统提高分辨率的手段——增大NA和缩短λ——除了透镜设计和光源选择的困难外，由公式（2）可知焦深DOF也随之减小。在光刻工艺中，由于硅片图形存在较大的台阶高度和其他误差，焦深至少需±0.5μm。因此，单纯增大NA和缩短波长来提高分辨率的改善程度受限。离轴照明（Off-Axis Illumination, OAI）技术是近年在提高分辨率的同时增大焦深的有效方法。

离轴照明的核心原理是：零级光和一束+1级（或-1级）衍射光与光瞳中央严格保持相等距离，两束光在硅片上的入射角相同、光程相等。理论上离焦时不会产生波前差，因而焦深较大。离轴照明可将分辨率R的理论极限提升至0.25λ/NA。

（一）SHRINC照明

SHRINC（Super High Resolution by Illumination Control）照明由Canon和Nikon率先用于Stepper成像系统。其原理是在复眼透镜出瞳处设置一个带有4个圆孔的孔径光阑，穿过4个圆孔的照明光束通过聚光镜后，以特定入射角照明掩模面。SHRINC照明对水平和竖直方向布置的线条图形的改善效果优于45°和135°方向，但在拐角图形处光刻性能有所降低。

（二）环形照明

环形照明技术由Mark和Fuchs首先提出并用于IC制造。它包含两个相干度参数σ_i和σ_o，分别定义为环形孔径的内外半径。环形孔径光阑放置在复眼透镜出瞳面处，穿过该光阑的照明光束以特定入射角照到掩模图形上。其中一束+1级光照到投影光刻物镜的光瞳外，实现0级和另一束±1级光的两束光干涉——虽然对比度和线条陡直度均小于三束光干涉，但这种变化随离焦量的增加而减小，在适当离焦时环形照明较传统照明更具优势。

由于环形孔径光阑呈中心对称，其提高分辨率的能力与线条图形的方向无关——这是环形照明相对于SHRINC照明的重要优势。采用环形照明，在远紫外Stepper（NA = 0.53）上可将0.25μm L/S图形的DOF由传统照明时的1.0μm提高到2.4μm。

五、综合照明系统与变焦距照明

为发挥传统照明、环形照明和SHRINC照明各自的优势，Nikon等公司将这些方法集成在电机驱动的转盘上，形成多功能孔径光阑——该转盘可根据不同光刻图形需求快速切换照明模式，构成了综合照明系统。

变焦距照明系统的引入，则是为了解决改变相干度σ带来的两个副作用：像面照度下降和照度均匀性恶化。当σ变小时，将Kohler照明中的第一聚光镜设计为变焦距透镜，可获得相应σ值下的最大照度；当更���孔径光阑形状（如SHRINC或环形）时，将第二聚光镜设计为变焦距透镜，使之产生适当的畸变以提升边缘视场照度，维持全视场的照度均匀性。

六、总结

照明光学系统随着投影光刻物镜的发展而不断发展。传统照明方法在制造16Mbit至64Mbit DRAM中仍占据主导地位；环形照明和SHRINC照明方法可将16Mbit的传统光刻工艺延伸至64Mbit（0.35μm）DRAM规模。SHRINC照明与KrF准分子激光（λ=248nm）和相移掩模结合时，可大规模生产256Mbit（0.25μm）DRAM；进一步与ArF准分子激光（λ=193nm）和相移掩模结合，可望实现1Gbit（0.15~0.18μm）DRAM的生产。

从系统的角度看，高性能投影光刻物镜与与之匹配的照明光学系统协同发展，才能充分发挥物镜性能。照明系统所涉及的部分相干光相干度控制、聚光镜像差与入瞳像差的匹配补偿、离轴照明的分辨率-焦深联合优化，以及综合照明与变焦距照明等核心设计思想，不仅适用于光刻领域，也为精密光学成像系统的照明设计提供了通用的技术参考框架。

文献来源

Huanghuanguu. 分步投影光刻机的照明光学系统. 「光学装调及检测」公众号.