CN101025474B - 用于转换数值孔径的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统和方法用来形成具有期望发散度和方向性的照明光束。照明光束利用光瞳限定元件和场限定元件成形。然后，利用一种光学元件修改由这些元件产生的光的发散度或数值孔径，该光学元件或者将光再成像到与光瞳限定元件和场限定元件中的一个或二者共轭的平面上，或者转换由光瞳限定元件和场限定元件中的一个或二者产生的光的数值孔径。

Description

用于转换数值孔径的光学系统
技术领域
本发明涉及照明光学系统。
背景技术
光刻设备是将期望图案施加到衬底或者部分衬底上的机器。光刻设备可用于例如平板显示器、集成电路(IC)和涉及精密结构的其它装置的制造中。在常规设备中，图案形成装置可以称为掩模或者分划板，可用于产生对应于平板显示器(或其它装置)的各层的电路图案。此图案可以通过在衬底上提供的一层辐射敏感材料(例如光刻胶)上成像，从而传递到全部或部分衬底上(例如玻璃板)。
代替电路图案，图案形成装置可用于产生其它图案，例如滤色器图案或点矩阵。代替掩模，图案形成装置可以包括图案形成阵列，该图案形成阵列包括分别可控元件的阵列。与基于掩模的系统相比，在这种系统中图案可以更快速并且更少成本地改变。
平板显示器衬底一般在形状上为矩形。设计成对此类型的衬底曝光的光刻设备可以提供曝光区域，该曝光区域覆盖矩形衬底的全宽度，或覆盖一部分宽度(例如宽度的一半)。可以在曝光区域的下面扫描衬底，而掩模或分划板是通过光束同步扫描的。这样，图案被传递到衬底。如果曝光区域覆盖衬底的全宽度，则曝光可以利用单次扫描完成。如果曝光区域覆盖例如衬底宽度的一半，则衬底可以在第一次扫描之后横向移动，并且一般执行另一次扫描以对衬底的剩余部分曝光。
照明模式以及光束成形(例如场大小和形状)一般通过利用形成衍射或折射辐射束的衍射和/或折射阵列产生。由相应的衍射或折射阵列产生的衍射或折射光束的期望修改利用全场非成像(例如聚光器)和成像(例如中继)光学系统实现。
对于透镜或阵列(例如透镜阵列)，分辨能力取决于使用的光的波长，并且相反地取决于数值孔径。数值孔径是介质的折射率n(例如对于空气n＝1，对于浸液n＝1.5等等)和角度i的正弦的乘积，角度i是通过将对像连接到阵列的周边形成的圆锥体的半角。数值孔径的值越大，透镜或阵列的分辨能力越佳。
在具有高倍放大(或缩小)的光学系统的情况下，比如无掩模光刻术和显微术，要求具有极低发散度(数值孔径)的照明输出光束。这意味着：(a)输入光束发散度(预数值孔径)必须非常低(例如至少比输出光束的小3-4倍)，这有时是无法实现的；以及(b)衍射或折射阵列的外形尺寸必须大。
在高数值孔径光学系统的情况下，比如在浸渍光刻工具中，要求具有高发散度(数值孔径)的照明输出光束。在这种情况下，两个主要的问题在于：(a)衍射或折射阵列的外形尺寸必须非常小，这在制造这些阵列时带来了制造困难；以及(b)光学系统中聚光器无能力同时满足场大小和光束发散要求。
需要的是这样一种光学系统和方法：它可以用于光刻系统的照明系统，它产生由折射或衍射阵列产生的照明辐射的期望数值孔径或发散度。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种光学系统，它包括光学元件和多孔径光学装置。光学元件接收光束并且由此产生多个光束。多孔径光学装置接收多个光束，并且将多个光束再成像到与光学元件共轭的像平面上，以创建多个对应光束。多个对应光束中的各个光束的数值孔径小于多个光束中的各个光束的数值孔径。
在本发明的另一个实施例中，提供一种光学系统，它包括光学元件和数值孔径转换装置。光学元件接收光束并且由此产生第一组细光束，第一组细光束具有第一数值孔径。数值孔径转换装置接收第一组细光束，并且由此产生第二组细光束，各个第二组细光束具有小于第一数值孔径的第二数值孔径。
在本发明的另一实施例中，提供一种方法，它包括以下步骤。从一个辐射束形成具有第一数值孔径的第一组多个光束。将具有第一数值孔径的第一组多个光束转换为第二组多个光束，第二组多个光束中的各个光束具有第二数值孔径。第二数值孔径小于第一数值孔径。
在本发明的再一个实施例中，提供一种方法，它包括以下步骤。利用光学装置从一个辐射束形成多个光束。不论是个别地还是作为整体，将第一组多个光束再成像到与光学装置共轭的像平面上，同时在再成像步骤期间保持双倍的远心率。
本发明的更多实施例、特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构与操作，在下面参考附图进行详细描述。
附图说明
结合在本文中并构成说明书的一部分的附图图解了本发明的一个或多个实施例，并且和说明书一起，进一步用来解释发明的原则并且允许本领域技术人员制造和使用本发明。
图1和2给出了根据本发明的各种实施例的光刻设备。
图3给出了根据图2所示的本发明的实施例传递图案到衬底的模式。
图4给出了根据本发明的一个实施例的光学引擎的布置。
图5显示常规的照明系统。
图6显示根据本发明的一个实施例，图5中包括附加的光学元件的一部分照明系统。
图7显示根据本发明的一个实施例，用于图6中的附加光学元件的例示性光学元件。
图8、9和10显示根据本发明的各种实施例，具有图6中的一个或多个附加光学元件的各种照明系统。
图11显示根据本发明的一个实施例的照明系统。
图12显示根据本发明的一个实施例从场限定元件到图案形成装置平面的一部分照明系统。
图13显示根据本发明的一个实施例的照明系统。
现在将参考附图描述本发明的一个或多个实施例。在附图中，相同的附图标记可以表示相同的或功能上类似的元件。另外，附图标记的最左边数字可以标识其中附图标记首次出现的附图。
具体实施方式
在一个或更多实施例中，系统和方法用来形成具有期望发散度和方向性的照明光束。照明光束利用光瞳限定元件和场限定元件成形。然后，利用一种光学元件修改由这些元件产生的光的发散度或数值孔径，该光学元件或者将光再成像到与光瞳限定元件和场限定元件中的一个或二者共轭的平面上，或者转换由光瞳限定元件和场限定元件中的一个或二者产生的光的数值孔径。
虽然论述特定配置和结构，但应该理解，这仅仅用于说明性的目的。本领域技术人员将认识到，可以使用其它配置和结构，并不背离本发明的精神和范围。对本领域技术人员显而易见的是，本发明还可以在各种其它应用中采用。
图1示意地给出了根据本发明的一个实施例的光刻设备。该设备包括照明系统IL、图案形成装置PD、衬底台WT以及投射系统PS。照明系统(照明器)IL配置为调节辐射束B(例如紫外线辐射)。
图案形成装置PD(例如分划板或掩模或分别可控元件的阵列)调整光束。一般说来，分别可控元件阵列的位置将相对于投射系统PS固定。但是，作为替代，它可以连接到定位器，该定位器配置为根据某些参数准确地定位分别可控元件的阵列。
衬底台WT构造为支撑衬底(例如涂敷了光刻胶的衬底)W，并且连接到定位器PW，定位器PW配置为根据某些参数准确地定位衬底。
投射系统(例如折射投射透镜系统)PS配置为将由分别可控元件的阵列调整的辐射束投射到衬底W的目标部分C(例如包括一个或多个管芯)。
照明系统可以包括各种类型的光学部件，比如折射、反射、磁、电磁、静电或其它类型的光学部件，或它们的任何组合，用于引导、成形或控制辐射。
在本文中使用的术语“图案形成装置”或“对比装置”应该大致地解释为指的是可用于调整辐射束的横截面的任何装置，由此在衬底的目标部分中创建图案。装置可以是静态图案形成装置(例如掩模或分划板)，或者动态(例如可编程元件阵列)图案形成装置。为了简便起见，大部分描述将按照动态图案形成装置进行，但是应该理解，也可以使用静态的图案形成装置，并没有背离本发明的范围。
应该注意，给予辐射束的图案可能不是正好对应于衬底的目标部分中的期望图案，例如，如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征。类似地，最终在衬底上产生的图案可能不对应于在任何一个瞬间在分别可控元件阵列上形成的图案。这可以是其中在衬底的各个部分上形成的最终图案经过给定的时间段或者给定数量的曝光积聚的配置中的情况，该给定的时间段或者给定数量的曝光期间，分别可控元件阵列上的图案和/或衬底的相对位置发生改变。
一般地，衬底的目标部分上创建的图案将对应于在目标部分中创建的装置中特定的功能层，比如集成电路或平板显示器(例如平板显示器中的滤色层或平板显示器中的薄膜晶体管层)。这种图案形成装置的实例包括例如分划板、可编程镜阵列、激光二极管阵列、发光二极管阵列、光栅光阀、以及LCD阵列。
图案借助于电子装置(例如计算机)可编程的图案形成装置，比如包括多个可编程元件的图案形成装置(例如在上一句中提及的全部装置，除了分划板)，总起来说在本文中称为“对比装置”。在一个实例中，图案形成装置包括至少10个可编程元件，例如至少100个、至少1000个、至少10000个、至少100000个、至少1000000个、或至少10000000个可编程元件。
可编程镜阵列可以包括具有粘弹性控制层和反射面的矩阵可寻址表面。这种设备后面的基本原理是，例如反射面的寻址区域反射入射光作为衍射光，而没有寻址的区域反映入射光作为非衍射光。利用适当的空间滤光器，非衍射光可以被滤出反射光束，仅留下衍射光到达衬底。照这样，光束变成根据矩阵可寻址表面的寻址图案来形成图案。
应该理解，作为备选，滤光器可以滤出衍射光，留下非衍射光到达衬底。
衍射光学MEMS装置阵列(微电子机械系统设备)也可以用对应的方式使用。在一个实例中，衍射光学MEMS装置由多个反射带组成，多个反射带可以相对于彼此变形，以形成反射入射光作为衍射光的光栅。
可编程镜阵列的另一个备选实例采用小镜的矩阵布置，每个小镜可以通过施加适当的局部电场、或通过采用压电传动部件，分别相对于一个轴倾斜。同样，镜是矩阵可寻址的，使得被寻址的镜在不同的方向将进入的辐射束反射到未寻址的镜；照这样，反射光束可以根据矩阵可寻址的镜的寻址图案而形成图案。要求的矩阵寻址可以利用适当的电子部件来执行。
另一个实例PD是可编程LCD阵列。
光刻设备可以包括一个或多个对比装置。例如，它可以具有多个分别可控元件阵列，各个元件彼此独立地被控制。在这种配置中，分别可控元件阵列的一些或全部可以具有至少一个公共的照明系统(或一个照明系统的一部分)、用于分别可控元件阵列的公共支撑结构、和/或公共的投射系统(或投射系统的一部分)。
在一个实例中，比如图1给出的实施例，衬底W具有基本上圆形的形状，可选地沿其部分周边具有凹口和/或扁平边缘。在一个实例中，衬底具有多边形的形状，例如矩形形状。
在衬底具有基本上圆形形状的实例中，包括其中衬底具有至少25mm的直径的衬底的实例，例如至少50mm、至少75mm、至少100mm、至少125mm、至少150mm、至少175mm、至少200mm、至少250mm、或至少300mm。在一个实施例中，衬底具有至多500mm、至多400mm、至多350mm、至多300mm、至多250mm、至多200mm、至多150mm、至多100mm、或至多75mm的直径。
在其中衬底是例如矩形的多边形的实例中，包括其中衬底的至少一边，例如至少2边或者至少3边具有至少5cm，例如至少25cm、至少50cm、至少100cm、至少150cm、至少200cm、或至少250cm的长度的实例。
在一个实例中，衬底的至少一边具有至多1000cm，例如至多750cm、至多500cm、至多350cm、至多250cm、至多150cm或至多75cm的长度。
在一个实例中，衬底W是例如半导体晶片的晶片。在一个实例中，晶片材料是从由Si、SiGe、SiGeC、SiC、Ge、GaAs、InP和InAs组成的组中选出来的。在一个实例中，晶片是III/V族化合物半导体晶片。在一个实例中，晶片是硅晶片。在一个实施例中，衬底是陶瓷衬底。在一个实例中，衬底是玻璃衬底。在一个实例中，衬底是塑料衬底。在一个实例中，衬底是透明的(对于人的肉眼)。在一个实例中，衬底是有色的。在一个实例中，衬底不存在颜色。
衬底的厚度可以改变，并且在一定程度上，可以取决于例如衬底材料和/或衬底尺寸。在一个实例中，厚度为至少50μm，例如至少100μm、至少200μm、至少300μm、至少400μm、至少500μm或者至少600μm。在一个实例中，衬底的厚度至多5000μm，例如至多3500μm、至多2500μm、至多1750μm、至多1250μm、至多1000μm、至多800μm、至多600μm、至多500μm、至多400μm或至多300μm。
在曝光前后，本文中涉及的衬底可以在例如轨迹(一般将一层光刻胶施加到衬底并且显影曝光的光刻胶的工具)、计量工具和/或检验工具中进行处理。在一个实例中，在衬底上提供光刻胶层。
在本文中使用的术语“投射系统”应该大致地解释为包含任何类型的投射系统，包括折射、反射、反折射、磁、电磁和静电光学系统，或它们的任何组合，根据需要用于使用的曝光辐射，或用于其它因素，比如利用浸液或利用真空。在本文中对术语“投射透镜”的任何使用可以被认为是与更通用的术语的“投射系统”同义。
投射系统可以将图案成像到分别可控元件阵列上，使得图案粘附地形成在衬底上。或者，投射系统可以对分别可控元件阵列的元件充当光闸的辅助源成像。在这方面，投射系统可以包括聚焦元件阵列，比如微透镜阵列(被称为MLA)或菲涅耳透镜阵列，例如形成辅助源以及将光点成像到衬底上。在一个实例中，聚焦元件阵列(例如MLA)包括至少10个聚焦元件，例如至少100个聚焦元件、至少1000个聚焦元件、至少10000个聚焦元件、至少100000个聚焦元件或至少1000000个聚焦元件。在一个实例中，图案形成装置中分别可控元件的数量等于或大于聚焦元件阵列中聚焦元件的数量。在一个实例中，聚焦元件阵列中的一个或多个(例如1000或更多、大多数、或各个)聚焦元件可以在光学上与分别可控元件阵列中的一个或多个分别可控元件相关联，例如与分别可控元件阵列中的2个或更多分别可控元件相关联，比如3个或更多、5个或更多、10个或更多、20个或更多、25个或更多、35个或更多、或者50个或更多。在一个实例中，MLA至少在到衬底以及远离衬底的方向上是可移动的(例如借助于致动器)，例如借助于一个或多个致动器。能够将MLA移动到衬底以及远离衬底允许例如进行聚焦调整，而并非必须移动衬底。
如本文中在图1和2中给出的，设备为反射类型(例如采用分别可控元件的反射阵列)。或者，设备可以为透射类型(例如采用分别可控元件的透射阵列)。
光刻设备可以为具有两个(双级)或更多级衬底台的类型。在这种“多级”机器中，附加的台可平行地使用，或者可以在一个或多个其它台正在用于曝光的同时，在一个或多个台上执行预备步骤。
光刻设备还可以具有其中至少一部分衬底能由具有相对高折射率的例如水的“浸液”覆盖的类型，由此填充投射系统和衬底之间的空间。浸液还可以施加到光刻设备中的其它空间，例如图案形成装置和投射系统之间。浸入技术在本技术领域为大家所熟知，用于提高投射系统的数值孔径。在本文中使用的术语“浸入”不表示诸如衬底的结构必须浸在液体中，而是仅仅意味着在曝光期间液体位于投射系统和衬底之间。
再参考图1，照明器IL从辐射源SO接收辐射束。在一个实例中，辐射源提供具有至少5nm波长的辐射，例如至少10nm、至少50nm、至少100nm、至少150nm、至少175nm、至少200nm、至少250nm、至少275nm、至少300nm、至少325nm、至少350nm、或至少360nm。在一个实例中，辐射源SO提供的辐射具有至多450nm的波长，例如至多425nm、至多375nm、至多360nm、至多325nm、至多275nm、至多250nm、至多225nm、至多200nm、或至多175nm。在一个实例中，辐射具有包括436nm、405nm、365nm、355nm、248nm、193nm、157nm和/或126nm的波长。在一个实例中，辐射包括大约365nm或大约355nm的波长。在一个实例中，辐射包括宽带的波长，例如包含365、405和436nm。可以使用355nm的激光源。源和光刻设备能够是独立的实体，例如在源是准分子激光器时。在此情况下，源不认为构成光刻设备的一部分，并且辐射束借助于光束输送系统BD从源SO传递到照明器IL，光束输送系统BD包括例如适当的引导镜和/或光束扩展器。在其它情况下，源可以是光刻设备不可分割的部分，例如在源是汞灯时。源SO和照明器IL，如果需要的话，连同光束输送系统BD一起可以称为辐射系统。
照明器IL可以包括调节器AD，用于调整辐射束的角度强度分布。一般地，至少能够调整照明器的光瞳平面中强度分布的外部和/或内部辐射程度(通常分别称为σ外部和σ内部)。此外，照明器IL可以包括各种其它组件，比如积分器IN和聚光器CO。照明器可用于调节辐射束，以在它的横截面具有期望的均匀性和强度分布。照明器IL或与之相关的附加组件，还可以配置为将辐射束分为多个子光束，各个子光束可以例如与分别可控元件阵列的一个或多个分别可控元件相关。二维衍射光栅可以例如用来将辐射束分为子光束。在本描述中，术语“辐射束”包含但不限于其中光束由多个这种子辐射束组成的情况。
辐射束B入射到图案形成装置PD上(例如分别可控元件的阵列)，并且由图案形成装置进行调整。由图案形成装置PD反射之后，辐射束B通过投射系统PS，投射系统PS将光束聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于定位器PW和位置传感器IF2(例如干涉计装置、线性编码器、电容传感器等等)，衬底台WT可以准确地移动，例如由此在辐射束B的路径中定位不同的目标部分C。在使用时，分别可控元件阵列的定位部件可用于例如在扫描期间，相对于辐射束B的路径准确地校正图案形成装置PD的位置。
在一个实例中，衬底台WT的移动是借助于长冲程模块(粗定位)和短冲程模块(精定位)实现的，它们在图1中没有明确地给出。在一个实例中，设备至少没有用于移动衬底台WT的短冲程模块。类似的系统还可以用来定位分别可控元件阵列。应该理解，辐射束B可以备选地/另外地是可移动的，同时物体台和/或分别可控元件阵列可以具有固定位置以提供所需的相对运动。这种配置可以在限制设备的大小方面有帮助。作为另一个备选，它例如可以在平板显示器的制造中适用，衬底台WT和投射系统PS的位置可以固定，并且衬底W可以配置为相对于衬底台WT移动。例如，衬底台WT可以设置有用于在基本上恒定的速度下穿过它扫描衬底W的系统。
如图1所示，辐射束B可以通过光束分离器BS引导到图案形成装置PD，光束分离器BS配置为使得辐射首先由光束分离器反射并且引导到图案形成装置PD。应该了解，辐射束B还可以在不利用光束分离器的情况下引导到图案形成装置。在一个实例中，辐射束以0°和90°之间，例如在5°和85°之间、在15°和75°之间、在25°和65°之间、或在35°和55°之间的角度引导在图案形成装置(图1所示的实施例处于90°角度)。图案形成装置PD调整辐射束B，并且将它反射回光束分离器BS，光束分离器BS将调整的光束透射到投射系统PS。但是应该理解，备选配置可用于将辐射束B引导到图案形成装置PD，并且随后引导到投射系统PS。具体地说，如果使用透射图案形成装置，则可能不要求诸如图1所示的配置。
给出的设备可被用于以下几个模式：
1.在步进模式中，分别可控元件阵列和衬底保持基本上固定，同时给予辐射束的整个图案一次(即单次静态曝光)投射到目标部分C上。衬底台WT然后在X和/或Y方向移动，以便可以曝光不同的目标部分C。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单次静态曝光中成像的目标部分C的大小。
2.在扫描方式中，分别可控元件阵列和衬底被同步扫描，同时给予辐射束的图案被投射到目标部分C上(即单次动态曝光)。衬底相对于分别可控元件阵列的速度和方向可以由投射系统PS的(去)放大和图像逆转特征确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单次动态曝光中目标部分的宽度(在非扫描方向)，而扫描运动的长度确定目标部分的高度(在扫描方向)。
3.在脉冲模式中，分别可控元件阵列保持基本上固定，同时整个图案利用脉冲辐射源投射到衬底W的目标部分C上。衬底台WT以基本上恒定的速度移动，由此使得辐射束B扫描衬底W上的一行。分别可控元件阵列上的图案按要求在辐射系统的脉冲之间更新，并且对脉冲计时，使得连续的目标部分C在衬底W上的要求位置曝光。因此，辐射束B可以扫描过衬底W，以曝光一条衬底上的完整图案。重复该过程，直到完整的衬底W逐行被曝光。
4.在连续扫描模式中，基本上与脉冲模式一样，除了衬底W以基本上恒定的速度相对于调整的辐射束B扫描，并且分别可控元件阵列上的图案随着辐射束B扫描过衬底W并且对其曝光而更新。可以使用基本上恒定的辐射源或脉冲辐射源，它与分别可控元件阵列上图案的更新同步。
5.在像素栅成像模式中，该像素栅成像模式可以利用图2的光刻设备执行，在衬底W上形成的图案通过由光点发生器形成的光点的随后曝光实现，它被引导到图案形成装置PD上。曝光的光点具有基本上相同的形状。在衬底W上，光点基本上打印为栅。在一个实例中，光点大小比打印的像素栅的节距大，但是比曝光光点栅小得多。通过改变打印的光点的强度，获得图案。在曝光闪光之间，光点上的强度分布被改变了。
也可以采用以上描述的使用模式的组合和/或变化，或者采用完全不同的使用模式。
在光刻中，在衬底上的光刻胶层上曝光图案。然后显影光刻胶。随后，在衬底上执行附加的处理步骤。这些后续的处理步骤对衬底各个部分的影响取决于光刻胶的曝光。具体地说，调整这些过程，使得接收辐射剂量超过给定剂量阈值的衬底部分不同地响应于接收辐射剂量低于剂量阈值的衬底部分。例如，在蚀刻过程中，接收辐射剂量超过阈值的衬底区域通过显影的光刻胶层保护使之免于蚀刻。但是在后曝光显影中，接收辐射剂量低于阈值的光刻胶部分被去除，因此那些区域没有被保护使之免于蚀刻。因此，可以蚀刻出期望的图案。具体地说，图案形成装置中的分别可控元件设置为使得在图案特征内透射到衬底上区域的辐射具有足够高的强度，该区域在曝光期间接收超过剂量阈值的辐射剂量。通过将对应的分别可控元件设置为提供零或显著较低的强度，衬底上剩下的区域接收低于剂量阈值的辐射剂量。
在实践中，图案特征边缘的辐射剂量不会突然地从给定最大剂量变为零剂量，即使分别可控元件设置为在特征边界的一侧提供最大辐射强度而在另一侧提供最小辐射强度。相反，由于衍射效应，辐射剂量的水平沿着过渡区而逐渐减少。最终由显影的光刻胶形成的图案特征的边界位置通过接收的剂量下降到低于辐射剂量阈值的位置而确定。辐射剂量沿过渡区逐渐减少的分布图，以及图案特征边界的精确位置，可以通过设置提供辐射到衬底上在图案特征边界上或附近的点的分别可控元件来更确切地控制。这些不仅可以到最大或最小强度级，而且可以到最大和最小强度级之间的强度级。这通常称为“灰度级”。
灰度级对图案特征边界位置提供比在其中由给定的分别可控元件提供给衬底的辐射强度只能设置为两个值(例如恰好是最大值和最小值)的光刻系统中可能存在的更好的控制。在一个实施例中，至少三个不同的辐射强度值可以投射到衬底上，例如至少4个辐射强度值、至少8个辐射强度值、至少16个辐射强度值、至少32个辐射强度值、至少64个辐射强度值、至少128个辐射强度值、或者至少256个辐射强度值。
应该理解，灰度级可用于上述内容的附加或者备选。例如，可以调整衬底在曝光之后的处理，使得存在多于两个潜在的衬底区域的响应，这取决于接收的辐射剂量水平。例如，接收辐射剂量低于第一阈值的一部分衬底以第一方式响应；接收辐射剂量超过第一阈值但是低于第二阈值的一部分衬底以第二方式响应；以及接收辐射剂量超过第二阈值的一部分衬底以第三方式响应。因此，灰度级可用于提供具有多于两个期望剂量水平的衬底上的辐射剂量分布图。在一个实施例中，辐射剂量分布图具有至少2个期望剂量水平，例如至少3个期望辐射剂量水平、至少4个期望辐射剂量水平、至少6个期望辐射剂量水平、或者至少8个期望辐射剂量水平。
还应该理解，辐射剂量分布图可以通过不同于如上所述仅仅控制在衬底上的各个点接收的辐射强度的方法进行控制。例如，衬底上各个点接收的辐射剂量可以备选地或者附加地通过控制点曝光的持续时间而控制。作为另一个实例，衬底上的各个点可以潜在地在多次连续曝光中接收辐射。各个点接收的辐射剂量因此可以备选地或者附加地通过利用多次连续曝光的所选子集对点曝光进行控制。
为了在衬底上形成要求的图案，有必要在曝光过程期间的各个阶段，将图案形成装置中的各个分别可控元件设置为必要的状态。因此，表示必要状态的控制信号必须发送到各个分别可控元件。在一个实例中，光刻设备包括产生控制信号的控制器。可以将形成在衬底上的图案用诸如GDSII的矢量定义格式提供到光刻设备。为了将设计信息转换为各个分别可控元件的控制信号，控制器包括一个或多个数据操作装置，各个数据操作装置配置为执行对表示图案的数据流的处理步骤。数据操作装置可以总起来称为“数据路径”。
数据路径的数据操作装置可以配置为执行一个或多个以下功能：将基于矢量的设计信息转换为位图图案数据；将位图图案数据转换为要求的辐射剂量图(例如要求的衬底上的辐射剂量分布图)；将要求的辐射剂量图转换为各个分别可控元件的要求的辐射强度值；以及将各个分别可控元件的要求的辐射强度值转换为对应的控制信号。
图2给出了根据本发明的设备的配置，可用于例如平板显示器的制造中。对应于图1所示的部件用相同的附图标记给出。此外，以上描述的各种实施例，例如衬底的各种配置、对比装置、MLA、辐射束等等保持可适用。
图2给出了根据本发明的一个实施例的光刻设备的配置。此实施例可用于例如平板显示器的制造中。对应于图1所示的部件用相同的附图标记给出。此外，以上描述的各种实施例，例如衬底的各种配置、对比装置、MLA、辐射束等等保持可适用。
如图2所示，投射系统PS包括光束扩展器，光束扩展器包括两个透镜L1、L2。第一透镜L1配置为接收调整的辐射束B，并通过孔径光阑AS中的孔径对其聚焦。另一个透镜AL可以位于孔径中。然后，辐射束B发散，并且由第二透镜L2(例如场透镜)聚焦。
投射系统PS还包括透镜阵列MLA，它配置为接收扩展的调整辐射束B。调整辐射束B对应于图案形成装置PD中一个或多个分别可控元件的不同部分经过透镜阵列MLA中相应的不同透镜。各个透镜将调整辐射束B的相应部分聚焦到落在衬底W上的一个点。这样，辐射光点S阵列曝光到衬底W上。应该理解，尽管仅显示了图解透镜阵列14的八个透镜，但透镜阵列可以包括成千上万的透镜(对用作图案形成装置PD的分别可控元件阵列的情况也是一样)。
图3示意地图解了根据本发明的一个实施例，如何利用图2的系统产生衬底W上的图案。实心圆表示由投射系统PS中的透镜阵列MLA投射到衬底W上的光点S阵列。随着衬底W上发生一系列的曝光，衬底W相对于投射系统PS在Y方向移动。空心圆表示之前已经在衬底W上曝光的光点曝光SE。如图所示，由投射系统PS内的透镜阵列投射到衬底上的各个光点在衬底W上曝光一行R的光点曝光。衬底的完整图案由各个光点S曝光的光点曝光SE的全部行R之和产生。这种配置通常称为上面论述的“像素栅成像”。
可以看出，辐射光点S阵列相对于衬底W排列成一定角度θ(衬底的边缘平行于X和Y方向)。这样做使得在衬底在扫描方向(Y方向)移动时，各个辐射光点将通过衬底的不同区域，从而允许整个衬底由辐射光点阵列15覆盖。在一个实例中，角度θ至多为20°、10°，例如至多5°、至多3°、至多1°、至多0.5°、至多0.25°、至多0.10°、至多0.05°、或者至多0.01°。在一个实例中，角度θ至少0.001°。
图4示意地图解了根据本发明的一个实施例，整个平板显示器的衬底W如何能够利用多个光学引擎在单次扫描中曝光。在显示的实例中，辐射光点S的八个阵列SA由八个光学引擎(未显示)产生，在“棋盘”配置中排列为两行R1、R2，使得辐射光点S的一个阵列的边缘稍稍与辐射光点的相邻阵列的边缘重叠(在扫描方向Y)。在一个实例中，光学引擎排列为至少3行，例如4行或者5行。这样，辐射带在衬底W的宽度方向延伸，允许整个衬底的曝光在单次扫描中执行。应该理解，可以使用任何适当数量的光学引擎。在一个实例中，光学引擎的数量至少为1，例如至少为2、至少为4、至少为8、至少为10、至少为12、至少为14、或者至少为17。在一个实例中，光学引擎的数量小于40，例如小于30或者小于20。
如上所述，各个光学引擎可以包括独立的照明系统IL、图案形成装置PD和投射系统PS。但是，应该理解，两个或更多个光学引擎可以共享一个或多个照明系统、图案形成装置和投射系统的至少一部分。
图5显示常规的照明系统500。在一个实例中，照明系统500可以代替照明系统IL使用。在图5、8、9和10中，一些透镜(或者其它光学装置)用箭头表示。在常规显示中，尖端彼此远离的双头箭头是凸透镜，而尖端彼此相对的双头箭头是凹透镜。
照明系统500用来处理照明光束502，以建立照明光束的期望光瞳和场幅度，从而在物面504中照明图案形成装置(未显示)。照明系统500包括光瞳限定元件506、第一聚光器508(例如聚光透镜或者聚焦透镜)、场限定元件510、第二聚光器512以及光学系统513，光学系统513处理光并将光引导到物面504。在一个实例中，光学系统513包括中继光学系统514、孔径516、方块518(例如光束分离器、偏振方块、偏振光束分离器等等)、以及投射光学系统520(它与用于投射具有图案的光束到衬底上的投射系统是不同的)。
有关图5元件的更详细说明可以在例如共同拥有的美国专利No.6,813,003和No.6,775,069以及共同拥有的共同未决的美国申请No.10/896,022、No.10/808,436以及No.10/812,978中找到，这些参考文献的全部内容全部通过引用结合于本文中。
光束502可能具有约12×12mm的横截面，光束502照射到光瞳限定元件506上。光瞳限定元件506可以是折射或者衍射光学元件，它将光束502分为多个光束或细光束522，光束522限定光瞳并且具有第一数值孔径(或者相关的发散度)，例如期望的数值孔径可以为大约0.0025。但是，制造可以产生此期望数值孔径的光瞳限定元件可能是困难的。
光束522用聚光器508聚光到场限定元件510，以形成多个光束或细光束526。场限定元件510可以是折射或者衍射光学元件。聚光的光束524可以具有约为0.00075到约0.0015的期望数值孔径，该期望数值孔径小于光束522的数值孔径。场限定光束526可以具有约0.03165的圆形数值孔径或者约0.00293长度×0.00033宽度的矩形数值孔径。
光束526由聚光器512引导到平面527上，然后在由投射光学系统520投射到物面504上之前，通过中继514、孔径516以及方块518。在一个实例中，平面527包括光学元件529。光学元件529可以是以下之一：多孔径清除结构、辅助多孔径形成元件、模板掩模、强度校正多孔径元件等等。在一个实例中，光学元件529包括一个或多个完全或者部分透射的区域531，它可以在配置和数量上对应于图案形成装置(未显示)上的有效或期望照明区域。各个区域531的透射率可以沿着它的宽度或者从它宽度的中心向各个方向渐变。在一个实例中，光学装置529可用于降低或者基本上排除不合需要的漫射光到达图案形成装置。
在一个实例中，平面527是图案形成装置平面，并且光学系统513可以从系统500除去。在此实例中，光束526将由聚光器512或者任何其它后续的光学元件引导到图案形成装置(现在显示)的有效区域上，如下面的实施例所示。
系统500可以在照明光中产生一些低效率，根据未能够准确地控制其中各种照明光束522和/或526将照射各种后续光学元件的位置，即没有控制光束522和/或526的发散度。这是因为至少光瞳和场限定光学元件506和510一般产生具有发散度或者数值孔径的细光束522和526，发散度或者数值孔径导致每个光束内的各个细光束重叠，这可引起不合需要的照明。例如，这些元件506和510可以起到类似于漫射体的作用。在一个实例中，得到这个结果是因为衍射光学元件的节距越小，衍射光束的扩散越宽，即发散越宽，这降低了得到的照明或者照明模式的效率。
具有小数值孔径的照明光束难以利用衍射光学器件产生。例如，范围在约1/2000弧度或者约1/8度的数值孔径。这些大小的数值孔径是希望用来产生照明光束的照明模式的期望或者要求大小、形状和发散度的(即照明类型，例如常规的、偶极子、四倍、环形等等)。
在一个实例中，跟随衍射元件506和510的光学元件可以接收连续的光束。但是，一些后续的光学元件可具有用于进一步处理光束522和/或526的离散目标区域。这可导致系统500中的低效率，并且在后续光学元件的仅仅目标区域应该接收光束522和/或526，但是整个表面接收光束522和/或526时导致光强度的浪费。后续的光学元件还可以接收不具有期望数值孔径的光束，因为如上所述，光瞳和/或场限定光学元件506和510难以准确地制造。
在从例如光瞳限定元件506和/或场限定元件510的衍射光学元件产生大的数值孔径时，输出光是回旋的，这导致光损失。引起光损失是因为输出光的数值孔径不是结构化的，而是发散的。
更期望的是一种照明系统，它产生并且引导具有特定发散度或者数值孔径的照明光，以更更有效地照明后续的光学元件和/或图案形成装置。正如以上讨论的，当数值孔径较大时，光的覆盖区有时比照明的对像更大，而较小(较窄)的数值孔径形成效率更高的照明光束。下面在图6-10中显示的系统使用基本上消除这些低效率的光学元件(例如光学元件628或者光学元件728)。
图6显示根据本发明的一个实施例，包括光学元件628的一部分照明系统500。在各种实例中，光学元件628可以位于光瞳限定元件506或者场限定元件508之后，或者二者之后，这将在下面参考图8、9和10更详细地描述。光学元件628用来修改光束530的发散度，作为整体或者独立地进行。这是通过将光束(细光束)630的第一数值孔径转换为光束(细光束)632的期望发散度或者第二(期望)数值孔径进行的。光学元件628还可以用来在光瞳限定元件506/场限定元件510和共轭面634之间引导光的离散或者连续部分。共轭指的是当平面(或者点)相对彼此焦点对准的情况，因此这里元件506和/或510处于与平面634共轭的平面中。产生光束632的期望发散度或者数值孔径考虑到照明光束的期望均匀性、远心率、椭圆率等等。这在无论照明光束的产生是在无掩模系统、浸入系统、这些系统的组合、还是任何其它要求非常精确控制照明光束参数的光刻系统中形成图案都是正确的。
在一个实例中，元件628可以修改光束630的各个细光束，以具有相同的输出特性。在另一个实例中，元件628可以配置为修改光束630内的各个细光束或者各组细光束，以相对于彼此具有不同的输出特性。
在一个实例中，光束630的第一数值孔径比光束632的第二数值孔径更大。此外，在一个实例，第二数值孔径可以基本上小于通过仅利用光瞳限定元件506和/或场限定元件510产生的数值孔径。
在各种实例中，这可以通过利用光学元件628进行，以经“通道”创建放大或者缩小的光瞳限定元件506/场限定元件段的图像，其中“通道”由光学元件628内的元件形成，如图所示，例如至少参考下面的图7。例如，元件628可以将光瞳限定元件506/场限定元件510的图像再成像在共轭面634上，其中再成像的图像包括较小的数值孔径或者发散度。
应该理解，尽管较小的数值孔径或者发散度作为由光学元件628输出而论述，但在一些应用中，可以期望较大的数值孔径或者发散度，并且光学元件628可用于产生较大的数值孔径。
在一个实例中，光学元件628可用于形成和引导离散的细光束632到像平面634的目标或者“有效”区域636，和/或其它后续的光学元件(现在显示)，以便提高光效率，有时候提高约250％或更多。可以实现提高的光效率，因为基本上全部照明光仅由光学元件628引导到后续平面或后续光学元件的期望元件、区域或者部分(目标区域)。反过来，这又通过基本上消除任何照明光照射非期望的区域，即不进一步处理照明光的区域，而提高各个目标区域的光强度。
例如，光学元件628可以产生引导到掩模529的区域531(参见图5)，而不是周围区域上的离散光束，以便基本上减少通过掩模529的光损失。
图7显示根据本发明一个实施例的例示性光学元件728。在此实施例中，光学元件728是复眼中继728，包括第一复眼透镜728A和第二复眼透镜728B。复眼中继728定位在衍射光学元件、例如光瞳限定元件506或场限定元件510和共轭像平面634之间。在元件728A和728B之间的是元件728A的焦平面738。在一个实例中，利用复眼中继728作为光学元件能够保持系统500中双倍的远心率。
复眼中继728中各对对应的透镜(A和B)可以认为是它自己的中继或者复眼中继728的通道。
发明人利用复眼透镜形成图像，这不同于它们的典型使用，例如使光均匀化。在一个实例中，发明人确定形成复眼阵列728允许光束被分离，并且保持分离以形成单独的、离散的图像。
在其它实例中，光学元件628可以是小透镜、多孔径光学装置、多孔径阵列、多透镜阵列(例如微透镜阵列)、单个复眼透镜、或者一个或更多这些元件中的多个(中继)，只要功能保持与以上和以下所述的一样。
图8显示根据本发明一个实施例的照明系统800。系统800包括图5中的系统500的大部分元件，但是用光学系统813代替光学系统513。光学系统813包括两个光学中继系统814。系统800还包括光学元件728。系统800利用光学元件728形成照明光束，照明光束照射在场限定元件510及其它后续的光学元件上，比穿过系统500的光具有更高的效率，如上所述。在一个实例中，这在物面504产生了期望的数值孔径840。
图9显示根据本发明一个实施例的照明系统900。系统900类似于照明系统800，但是包括第二光学元件728，它将具有第一数值孔径的光束630’转换为具有第二数值孔径的光束632’。系统900利用光学元件728和其它后续的光学元件形成照明光束，照明光束分别照射在场限定元件510和聚光器512上。此配置实现了比穿过系统500以及可能的系统800的光更高的效率，如上所述。在一个实例中，这在物面504上产生了期望的数值孔径940。
图10显示根据本发明一个实施例的照明系统1000。系统1000包括图5中的系统500和图8中的系统800的大部分元件，还包括元件728。系统1000利用光学元件728及其它后续的光学元件形成照明光束，照明光束照射在聚光器512上，比穿过系统500的光具有更高的效率，如上所述。在一个实例中，这在物面504上产生了期望的数值孔径1040。
图11显示根据本发明的一个实施例，从场限定元件510到图案形成装置平面504的一部分照明系统1100。照明系统1100在平面527和平面504之间具有复眼中继728。在此系统中，场限定光束526通过使用聚光透镜512引导到光学元件529上。通过各区域531或者光学元件529产生的图像在到达平面504中的图案形成装置1142的有效区域1144之前，通过复眼中继728使尺寸减少。在一个实例中，离开光学元件529的图像尺寸A1(例如16.95×16.93mm)通过用复眼中继728处理图像，在平面504减小为图像尺寸A2(例如8.57×3.43mm)。
图12显示根据本发明的一个实施例，利用复眼中继728在场限定元件510和光学元件529之间光束的例示性减小。在此实施例中，光束626的横截面区域减少了50％。例如，第一光束626-1的区域A1通过复眼中继728减少了一半，以在光学元件529形成区域A2。这是在通过各对光学元件728A-n和728B-n(n＝1，2，3等等)形成的各个通道中进行的。在此实例中，由场限定元件510创建的整个场通过复眼中继728改变成子场。
如以上的讨论，在一个实例中，对于各个通道，根据改变各个通道中元件728A-n和728B-n的光学特性，可以存在不同的缩小。
图13显示根据本发明的一个实施例的照明系统1300。图13类似于图5，除了它在聚光器512和平面527之间包括复眼中继728和衍射光学元件1346。此外，在此实施例中，光学系统513替换为光学系统1313，光学系统1313是单个孔径中继。光学系统1313包括孔径1352，它位于两个透镜1350和1354之间。在一个实例中，这在物面504产生期望的数值孔径1340。
虽然在本文具体参考在制造具体装置(例如集成电路或平板显示器)时使用光刻设备，但应理解，本文所述的光刻设备可具有其它应用。这些应用包括但不限于制造集成电路、集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头、微机电装置(MEMS)、发光二极管(LED)等等。此外，例如在平板显示器中，本发明的设备可用于帮助创建各种层，例如薄膜晶体管层和/或滤色器层。
尽管上面特别参考在光学光刻术的背景中利用本发明的实施例，但应该理解，本发明可被用于其它应用，例如印刷光刻，其中背景允许并且不局限于光学光刻术。在印刷光刻中，图案形成装置中的构形限定衬底上创建的图案。图案形成装置的构形可以印刷到提供给衬底的一层光刻胶中，因此光刻胶通过施加电磁辐射、热、压力或者它们的组合进行固化。图案形成装置从光刻胶移开，在光刻胶固化后在其中留下图案。
尽管已经在上面描述了本发明的特定实施例，但应该理解，本发明可以不同于描述内容而实践。例如，本发明可以采取计算机程序的形式，计算机程序包括机器可读指令的一个或多个序列，它描述上面公开的方法；或者本发明可以采取数据存储介质(例如半导体存储器、磁或者光盘)的形式，数据存储介质在其中存储这种计算机程序。
结论
尽管在上面描述了本发明的各种实施例，但应该理解，它们仅仅通过实例，而不是限制给出。对相关领域技术人员显而易见的是，可在其中进行形式和细节方面的各种变化，并不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的宽度和范围不应该由任何以上描述的例示性实施例限制，而是仅仅应该根据以下权利要求和它们的等价物限定。
应该理解，具体实施方式部分，而不是发明内容和摘要部分用于解释权利要求。发明人设想，发明内容和摘要部分可以阐明本发明的一个或多个而不是全部例示性实施例，并且因此不以任何方式用于限制本发明和所附的权利要求。

Claims (15)

1.一种光学系统，包括：
光学元件，它接收光束并且由此产生多个光束；以及
多孔径光学装置，它接收所述多个光束，并且将所述多个光束再成像到与所述光学元件共轭的像平面上，以创建多个对应光束，各个所述多个对应光束的数值孔径小于各个所述多个光束的数值孔径；
其中所述多孔径光学装置包括透镜中继，所述透镜中继包括串联布置的第一和第二透镜阵列，第一和第二透镜阵列是复眼透镜。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光学元件包括衍射或者折射光学元件。
3.如权利要求1所述的光学系统，其中第一和第二透镜阵列配置为在所述光学系统内保持双倍的远心率。
4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光学元件包括光瞳限定元件，并且所述光学系统还包括：
第一聚光器，它对所述多个对应光束聚光；
场限定元件，它产生场限定的聚光光束；
第二聚光器，它对所述场限定的聚光光束聚光；以及
中继器，它将聚光的场限定的聚光光束引导到图案形成装置上。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中：所述图案形成装置包括分别可控元件的阵列。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光学元件包括光瞳限定元件，并且所述光学系统还包括：
第一聚光器，它对所述多个对应光束聚光；
场限定元件，它接收聚光的多个光束，并由此产生场限定光束；
另一个多孔径光学装置，它接收所述场限定光束，并且由此产生另一组多个对应光束，各个所述另一组多个对应光束的数值孔径小于所述场限定光束的数值孔径；
第二聚光器，它接收所述另一组多个对应光束，并且对其聚光；以及
中继器，它接收聚光的另一组多个对应光束，并将其引导到图案形成装置上。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光学元件包括场限定元件，并且所述光学系统还包括：
光瞳限定元件，它定位为从辐射源接收光束，并且由此产生光瞳限定光束；
第一聚光器，它对所述光瞳限定光束聚光，并且引导聚光的光瞳限定光束作为由所述场限定元件接收的光束；
第二聚光器，它接收所述多个对应光束并对其聚光；以及
中继器，它接收聚光的多个对应光束，并将其引导到图案形成装置上。
8.如权利要求1所述的光学系统，其中所述多孔径光学装置配置为将所述多个对应光束中的各个对应光束引导到所述像平面的对应部分上。
9.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统是光刻系统的照明系统，所述光刻系统还包括：
调节器，它定位在所述多孔径光学装置之后，用于调节所述多个对应光束；
图案形成装置，它对调节的光束形成图案；以及
投射系统，它将形成图案的光束投射到衬底的目标部分上。
10.一种光学系统，包括：
光学元件，它接收光束，并由此产生第一组细光束，第一组细光束具有第一数值孔径；以及
数值孔径转换装置，它接收第一组细光束，并由此产生第二组细光束，各个第二组细光束具有小于第一数值孔径的第二数值孔径；
其中所述数值孔径转换装置包括透镜中继，所述透镜中继包括串联布置的第一和第二透镜阵列，第一和第二透镜阵列是复眼透镜。
11.如权利要求10所述的光学系统，其中所述数值孔径转换装置配置为将第二组细光束引导到与所述光学元件共轭的像平面的对应离散位置上。
12.如权利要求10所述的光学系统，其中所述数值孔径转换装置配置为保持双倍的远心率。
13.一种照明方法，包括：
从辐射束形成具有第一数值孔径的第一组多个光束；以及
将具有第一数值孔径的第一组多个光束转换为各具有第二数值孔径的第二组多个光束，各个第二数值孔径小于第一数值孔径；
其中上述转换步骤利用透镜中继，所述透镜中继包括串联布置的第一和第二透镜阵列，第一和第二透镜阵列是复眼透镜。
14.如权利要求13所述的照明方法，还包括：
将具有第二数值孔径的第二组多个光束引导到像平面的预定离散部分上。
15.如权利要求13所述的照明方法，还包括：
对第二组多个光束形成图案；以及
将形成图案的光束投射到衬底上。
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