[发明专利]微光刻投射曝光设备的光学系统以及降低图像位置误差的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种微光刻投射曝光设备的光学系统，尤其是涉及照明系统或投射物镜(projection objective)。本发明还涉及一种降低这种设备中的图像位置(placement)误差的方法。

背景技术

微光刻技术(又称为光刻或简称为光刻技术)是一种制造集成电路、液晶显示器及其它微结构器件的技术。微光刻工艺与蚀刻工艺一起用于将特征(feature)图案化在形成于基板(例如硅晶片)上的薄膜叠层中。在制造的每一层中，首先以光刻胶涂镀晶片，光刻胶是一种对诸如紫外光的辐射敏感的材料。接着，在投射曝光设备中，使顶部具有光刻胶的晶片曝光于通过掩模的投射光。掩模含有将投射于光刻胶上的电路图案。在曝光之后，显影光刻胶以产生与掩模中所含电路图案相应的像。然后，蚀刻工艺将电路图案转印至晶片上的薄膜叠层中。最后，移除光刻胶。使用不同掩模来重复此工艺，将形成多层的微结构组件(microstructured component)。

典型地，投射曝光设备包含：照明系统、用于对准掩模的掩模对准台、投射物镜(有时又称为“镜头(lens)”)以及用于对准涂镀有光刻胶的晶片的晶片对准台。照明系统照明掩模上具有例如矩形狭缝(slit)或狭窄环形段(ring segment)的形状的场(field)。

在目前的投射曝光设备中，两种不同类型的设备之间存在区别。在一个类型中，通过一次将整个掩模图案曝光于晶片上的目标部分，来照射每个目标部分；此种设备一般是指晶片步进曝光机(wafer stepper)。在另一个类型的设备中，一般是指步进扫描式设备(step-and-scan apparatus)或简称为扫描曝光机(scanner)，通过在投射光束下在给定参考方向上渐进地扫描掩模图案，同时与此方向平行或反平行地同步扫描基板，可照射每个目标部分。晶片速度与掩模速度的比率等于投射物镜的放大率β，通常保持|β|＜1，例如|β|＝1/4。在投射曝光设备的发展中，一个重要的目标是能够在晶片上光刻地限定具有越来越小的尺寸的结构。小的结构导致高的集成密度(integration density)，这对于借助此设备产生的微结构化组件的性能一般具有有利的影响。

可光刻地限定的特征的最小尺寸大约与投射光的波长成正比。因此，该设备的制造商力求使用波长越来越短的投射光。目前使用的最短波长为248nm、193nm及157nm，并且因此落在深紫外光(deep ultraviolet，DUV)或真空紫外光(vacuum ultraviolet，VUV)的光谱范围中。下一代市场上可用的设备将使用具有大约13.5nm的甚至更短波长(在极紫外光(extreme ultraviolet，EUV)的光谱范围中)的投射光。然而，EUV设备非常昂贵，因而需要使现有的DUV及VUV技术能够发挥到其极限。

一个这么做的方法是使用双次图案化曝光技术(double patterning exposure technology，DPT)。此技术对具有非常高的图案密度的层尤其有用，根据此技术，按顺序使单一层遭受两个分开的曝光和蚀刻步骤。例如，可以光刻方式限定平行线的图案，并通过蚀刻将并行线的图案转印至该层上。重复此步骤，但是使线图案横向位移。由于两个线图案交错，层中的最终线密度是原始线图案密度的两倍。然而，使用此技术对于覆盖误差(overlay error)尤其敏感，因为这种误差直接转化为不想要的线宽变化。因为未来可能更大量使用DPT，所以预期覆盖误差预算(overlay error budget)变得显著更小。

术语“覆盖误差”原先涉及微结构化器件中相邻图案化层的对准(registration)。如果应布置为一个在另一个上方的特征被横向移动，则此偏移称为“覆盖误差”。同时亦使用术语“覆盖误差”来表示单一层中特征的相对位移。

为了对覆盖误差有更全面的了解，必须研究单独(individual)特征的像横向位移的原因及达到的程度。在DPT的情况下，如果已经以不同曝光限定的特征图像的位移完全相等，则应该观察不到覆盖误差。然而，位移通常至少在某种程度上有所不同，因此没有例外地一定会有覆盖误差。

为了表示单独特征图像的位移，经常使用术语“图像位置误差(image placement error，IPE)”。图像位置误差是指层中的特征图像的绝对位移，即实际图像位置与理想(期望的)位置的偏差。