CN1251028C - 照明装置及应用该照明装置的曝光装置和器件制造方法 - Google Patents

Abstract

照明装置，包括：第一光积分器，它包括具有与光轴垂直且由多个第一边界定的第一光学件，此第一光积分器均匀地照明-被照面；第二光积分器，它用于均匀地照明此第一光积分器，以使光入射到此第一光积分器上照明此第一光积分器的光入射面照明范围轮廓包括的多个第二边中之各边都不与上述第一边的任一相平行。

Description

照明装置及应用该照明装置的 曝光装置和器件制造方法

技术领域

本发明涉及应用光源的光照明被照明面的照明装置，特别涉及到在用于制造半导体元件、液晶显示元件、摄像元件(CCD等)或薄膜磁头等的光刻工艺的曝光装置中，照明描绘图案的掩模或分划板(在本申请这两个词是可换的)。

背景技术

近年来，半导体器件的细微化的要求日甚一日，最小的临界尺寸已小于0.15um而接近0.10um。为了达到精细化，需要以均匀的照度来照明掩模，同时需要有均匀有效的光源分布作为曝光的角分布来照明掩模与晶片，还需要有较短波长的曝光用光和加大投影透镜的NA。

为了均匀地照明掩模而无不匀的照度且具有均匀有效的光源分布，常规的光学系统应用的照明设备包括两或多个复眼透镜(包括玻璃棒透镜或柱面透镜的组合)或内反射件与复眼。在这些构型中，后级的复眼透均匀地照明掩模平面实现均匀的照度，而前级的复眼透镜或内反射件则均匀地照明后级的复眼透镜，以作为均匀有效的光源。

具有清晰边缘的光强分布的均匀光进入此光学系统后级的复眼透镜。但当此入射光光强分布的边缘只进入复眼透镜中棒状透镜的一部分内时，就会发生不均匀照度。下面参考图14与15说明上述问题。图14是表明复眼透镜的光入射面和入射到此面上的光之间关系的示意性平面图。图15是沿图14的纵轴截取的剖面图，示明了下一级的复眼透镜，入射光的光强分布以及被照面上的光强分布。

如图14与15所示，复眼透镜20包括由5条宽线(以后除另有说明，概以标号26表明)界定的五个棒状透镜26a-26e，同时接收入射光10，图14表明的棒状透镜26具有垂直于光轴的方形剖面，且如以后所述，此剖面可以是六方形或其他形状。为简单起见，光强分布12也可以是方形。

为了在复眼透镜20的光出射面24上形成次级光源，并应用此次级光源的光通过聚光透镜30对被照面40进行柯勒照明，使复眼透镜20的光入射面22与被照面40成为光学共轭关系(即物平面与像平面的关系)。于是，被照面40上的光强分布是通过将各个棒状透镜26的光入射面22上的光强分布叠加到被照面40上而形成的。

为便于讨论，设入射光10具有与棒状透镜相对应的光强分布12a-12e(以后除另有说明，概以标号12表明)，但应认识到，对应于光强分布12a与12e的入射光10只进到棒状透镜26a与26e的一部分之中。

这样，当进入复眼透镜中的入射光10的光强分布12的边缘横切棒状透镜时。被照面40上便会形成这样的光强分布。即包括被照面40右侧处所示的五个叠架的光强分布52a-52e。由于光强分布12a与12e。由于在两端入射到棒状透镜26a与26e上的光强分布12a与12e在中途被截止，被照面40便具有光强分布52a与52e，而合成的光强分布则具有缺少部分53的不均匀的光强分布，正如图14所示复眼透镜的构型表明的，这些棒状透镜26在垂直于图15纸面方向中排成一列，因而叠置所有的这些棒状透镜26对将进一步增强此光强分布的凹部53。

作为光强分布50的一个实际例子，图17与18表明了，当进入复眼透镜20的光强分布10的边缘横切棒状透镜26时，于被照面40上的光强分布结果。这里，图17表明的是当棒状透镜26具有与被照平面40的方形被照在相对应的方形剖面时，在被照面40上的光强分布。图18表明的是当棒头透镜26具有对应于被照面40的六方形或圆形被照区时在此被照面上的光强分布。图17与18分别表明，较暗的部分具有较低的光强，它们中的任何一个都说明不均匀的光强分布是由于入射光强分布的近缘所造成。本申请中所附的图17与18的彩色图是为了更好地理解本发明。

作为解决上述问题的一种方法，如图19A与19B所示，可以考虑在复眼透镜20的光入射平面22附近设置一光阑60a或60b来屏蔽光强分布12a与12e。图19A与19B分别是光阑60a与60b的平面图。光阑60a具有为外部轮廓线62a和内部轮廓线64a所限定的空心矩形，而光阑60b则有由外部轮廓线62b和内部轮廓线64b所限定的空心形状。入射光10′的光强分布具有方形而其轮廓线如图所示因光阑60a和60b而模糊。结果，光分布的边缘并不横切棒状透镜26而处于棒状透镜26的近界上。

但是，用来在传统的被照面上提高光强均匀性的方法已使作为被照面的掩模与晶片的照度与光通过量降低，结果将加大生产成本。

换言之，在复眼透镜光入射面上使用光阑来改进均匀的光强分布时，会由于光阑遮蔽了光而使光量损失。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供改进了被照面上光强分布且减少了光量损耗和光通过量下降的照明装置、包括此种照明装置的曝光装置以及应用这种曝光装置的器件的制造方法。

作为本发明一个方面的照明装置具有：第一光积分器，它包括多个第一光学件，每个光学件具有与光轴垂直且为多个第一边界定的剖面，此第一光积分器均匀地照明被照面；第二光积分器，它用于以照明范围照明所述第一光积分器，所述第二光积分器包括一个第二光学件，该第二光学件具有与光轴垂直且为多条第二边所界定的剖面，各个第二边都不与任一所述第一边平行；其中，所述照明范围的边缘与所述多个第一光学件的一部分相交。

上述这些照明装置逐渐地变换位置，使得光强分布的边缘相对于平行于光轴的平面进入上述第一光积分器的光入射面，同时减少了此光强分布的边缘在被照面上的照度不均匀。从原理上说，这与上面的图15相对应，其中光强分布12a与12e的位置相对于沿垂直于图纸的方向排列的这一行柱状透镜变位(例如逐渐地向外或向内)，由此便减小了光强分布的凹部53。但实际上，光强分布10也将相对于按垂直于图面方向排列的这行棒状透镜改变其形状，且不等于在移位的光强分布52a与52e之间的完全重叠。

上述各照明装置仅仅改变了两个积分器之间的相对位置，并且防止了光量的损失与光通过量的减少，而不要求在第一积分器之前安装光阑。上述照明装置最好将此第一与第二积分器的光入射平面布置成近似为光学上相互共轭，用以防止由于模糊而减少光损失与光通过量减少。

上述第一光学件例如是具有六方形或矩形剖面的棒状透镜，而第一光积分器可以是复眼透镜，例如该被照平面是类似典型的掩模平面的矩状时，则此第一复眼透镜的棒状透镜将成为矩形的以减少遮蔽照明光、对于后面将描述的三重积分器构型，具有六方形剖面的棒状透镜则最为理想。

若此第一光学件是具有六方形剖面的棒状透镜而第一光积分器是复眼透镜，则所述第二边可以包括相对于一个第一边形成约15°的角，或者所述第二剖面形状可以具有相对于一个第一对称轴线构成约15°角的第二对称轴线。这是由于正六方形每30°有对称轴线，因而光强分布边缘所横切棒状透镜的位置在有约15°的移位时将不会是相同的。

同样，若此第一光学件例如是具有矩形剖面的棒状透镜而第一光积分器是复眼透镜，则所述第二边可以包括相对于一个第一边形成约22.5°的角，或者所述第二剖面形状可以具有相对于一个第一对称轴线构成约22.5°角的第二对称轴线。这是由于正方形每45°有对称轴线，因而光强分布边缘所横切棒状透镜的位置在有约22.5°的移位时将不会是相同的。

所述第二光积分器例如可以是具有呈矩形剖面的棒状透镜的复眼透镜。若光源例如是激光光源，则最好取方形剖面，因为这与入射光的形状相对应。

应用在第一光积分器的光出射面处形成的次级光源可以对被照面进行几乎是均匀的照明。或者，此照装置还可包括光入射面为被照面的第三光积分器，而在此第三光积分器的光出射面处形成的次级光源则被用来几乎均匀地照明另一被照面。本发明适用于两重或三重积分器构型。

特别是在另一被照面例如是类似典型的掩模平面的矩形的三重积分器中，第三复眼透镜的棒状透镜可以是矩形以减少对照明光的遮蔽，同时第一复眼透镜的棒状透镜可以是六方形或矩形的，以使有效光源可以为具有用于第三复眼透镜的照明条件(例如相干系数σ)的图形。为了获得圆形的被照区，对于光的利用效率而言，最好为六方形。

本发明另一个方面中的曝光装置包括上述的照明装置和将分划板或掩模的图案投影到待曝光物体上的投影光学装置。此种曝光装置与前述照明装置类似，对于作为被照面的分划板或掩模或是其他被照平面，可以给予均匀的有效光源分布。

作为本发明又另一方面的器件制造方法包括对用上述曝光装置曝光的物体进行投影的步骤以及对所投影的物体进行预定处理的步骤。有关其作业与上述曝光装置类的类似的器件制造方法的权利要求涵盖了这类器件的中间产品与最终产品。这类器件例如包括半导体晶片如LSI与VLSI、CCD、LCD以及磁性传感器、薄膜磁头等。

本发明在其一个方面的照明光学系统包括：应用光源的光来照明第一光积分器中多个聚光系统的第一光学系统；应用所述第一光积分器中多个聚光系统的光束来照明被照面的第二光学系统；其中，所述第一光学系统包括具有多个聚光系统的第二光积分器；所述第二光学系统包括具有多个聚光系统的第三光积分器；所述第一光积分器的各聚光系统的光入射面轮廓的各边不与所述第二光积分器聚光系统光入射面轮廓的任一边平行；所述第一光积分器各聚光系统的光入射面轮廓的各边不与构成第三光积分器中各聚光系统的光入射面的轮廓的任一边平行。

本发明的其他目的与另一些优点易从下面参考附图对实施例所作的描述中获得理解。

附图说明

图1示明本发明的照明装置中简化了的光路。

图2是平面图，示明了图1中所示两个复眼透镜的布置，图中所示为后级复眼透镜所能取的两种形状。

图3是平面图，用于阐明正方形与正六方形的旋转对称轴线。

图4是图1所示照明装置中被照面上改进了的光强分布，此时的柱状透镜具有方形剖面。

图5是图1所示照明装置中被照面上改进了的光强分布，此时的柱状透镜具有六方形剖面。

图6示明图1中所示照明装置变型中简化了的光路。

图7示明包括有图6所示照明装置的曝光装置中简化了的光路。

图8是用于说明如何制造器件(例如半导体晶片如IC、LSI等以及LCD、CCD等)的流程图。

图9是图8所示步骤4(晶片处理)的详细流程图。

图10是包括有图1所示照明装置的曝光装置中简化了的光路。

图11示明图1所示照明装置另一变型中的简化了的光路。

图12是采用图2所示构型时在被照面上光强分布的典型平面图。

图13是曲线图，示明了采用图2中构型时，两个复眼透镜之间的相对偏斜角与被照面上不均匀照度之间的关系。

图14是平面图，示明了包括有两个传统复眼透镜的照明装置中后级复眼透镜的棒状透镜与入射光光强分布的形状的关系。

图15是示意性剖面图，示明了由已接收到图14所示入射光的复眼透镜所形成的被照面上的光强分布。

图16以平面图像示明了图15中所示被照面上的光强分布。

图17示明传统照明装置的后级复眼透镜中棒状透镜具有正方形剖面时，在被照面上的光强分布。

图18示明传统照明装置的后级复眼透镜中棒状透镜具有六方形剖面时，在被照面上的光强分布。

图19是用于改进图5中所示被照面上不均匀的光强分布的光阑的示意性平面图。

图20典型地概示了照明装置后级复眼透镜、具有模糊边缘的入射光光强分布与被照面上光强分布之间的关系。

图21典型地概示了多个柱面透镜的布置。

具体实施方式

下面参看附图描述作为本发明一个方面的曝光装置1与照是装置100。这里的图10概示了曝光装置1的简化了的光路。曝光装置1包括装置100、分划板200、投影光学系统300与板件400。图1概示了照明装置100中典型的简化了的光路。

本实施例的曝光装置1是投影曝光装置。它以分步扫描方式使掩模200上形成的电路图案曝光于板件400上，但本发明也可用于分步重复方式与其他曝光方式。这里所用的“分步扫描方式”是这样一种曝光方式，它是相对于掩模连续地扫描板件并在一次拍摄曝光之后使板件分步移向下一个待拍摄的曝光区，使掩模图案于拍件上曝光的方式。上述“分步重复”方式则是另一种曝光方法的方式，则是在每次板件拍摄的总体曝光之后分步移动板件而将下一次拍摄移向曝光区的曝光方法。

照明装置100在无照度不均且具有均匀有效光源的条件下，照明形成待转印的电路的分划板200，同时包括光源部与照明光学系统。光源部包括光源110和光束成形光学系统120。

本实施例中，光源110采用激光束，例如波长193nm的ArF准分子激光、波长248nm的KrF准分子激光、波长157nm的F₂准分子激光。但本发明并不把激光类型限于准分子激光，例如也可采用YAG激光。此外也不限制激光器的个数。光源例如还可以是输出≥500W的高压汞灯或氙灯，激光器110也可以发射汞灯的g线(波长约463nm)或i线(波长约365nm)。

光束成形系统120例如可以是具有多个柱面透镜的光束扩展器等，它将激光器110的平行光束的剖面形状尺寸的纵横比变换为所需的值(例如使剖面形状由矩形变换为正方形)，这样将光束形状再成形为所需形状。光束成形系统120使光束形成为具有照明后述复眼透镜150所需的尺寸与发散面。

上述光源部最好采用非相干调谐光学系统，它在图1中未予示明，将相干激光来调谐为非相干的。此非相干调谐光学系统例如可以采用至少一个返回系统，它将入射光束于分光平面上分成至少两束光(例如P偏振光与S偏振光)，且相对于其他光束给此至少两束光之一提供一大于激光束通过光学部件的相干长度的光程差，然后再将其导引到此分光面上而发射叠置的光。

上述照明光学系统照明掩模200，且包括复眼透镜130与150以及聚光透镜140与160、这样，本实施例的照明光学系统采用的是具有两个积分器的双积分器构型。

复眼透镜130与150用来均匀地照明被照面，属于波前分光型光学积分器，将入射光的波前分裂而于光出射面上或其邻域形成多个光源，此复眼透镜130与150将入射光的角度分布变换为位置分布而发射。复眼透镜130与150的各个光入射面132与152以及光出射面134与154成付立叶变换关系。在本说明书中的付立叶变换关系是指光瞳面与物平面(或像平面)以及物平面与光瞳面(像平面)间的关系。这样，复眼透镜130与150的光出射面134与154的邻域便成为次级光源。

本实施例中，复眼透镜130与150包括许多柱状透镜(或微细透镜元件)的组合。当然，适用于本发明的这种波前分裂型的光学积分器并不限于复眼透镜。例如可以是如图21所示的多组柱面透镜阵列板，其中各组排列成相互正交。可以采用具有带三或多个折射界面的柱面透镜的复眼透镜。

上述的柱面透镜阵列板是通过将两组柱面透镜阵列板(或双透凸镜)叠置形成。图21(a)中第一组211与第四组214的柱面透镜阵列板各且有焦距f1，而第二组212与第三组213的柱面透镜阵列板则具有不等于f1的焦距f2。同一组中的柱面透镜阵列板设置在其对应部分的焦点位置。两组柱面透镜阵列板布置成使其相互的母线方向彼此正交，而形成此正交方向上的F数(或透镜焦距/有效孔径)不同的光束。自然，这种组的数目不限于两个。只要这多个柱面透镜具有正交的母线方向，柱面透镜的个数是不受限制的，图21B中清楚地表明了沿光轴方向(或沿图21(a)中的纵向)所观察的一组柱面透镜，图21(a)中为柱面透镜211、212、213与214的边界线清晰分开的区域(以后称作分光区)对应于权利要求书中“第一光学件”、“第二光学件”、“聚光系统”以及类似的术语。构成各分光区的边则对应于权利要求书中“第一边”、“第二边”、“第三边”、“形成多个聚光系统光入射面的多个边”以及类似的术语。

设置了复眼透镜130来均匀地照明复眼透镜150，而复眼透镜150的设置则是为了均匀地照明掩模200。

本实施例中，复眼透镜130的棒状透镜具有矩形剖面，而复眼透镜150的棒状透镜则具有矩形或六方形剖面。这里的词“剖面”是指相对垂直于光轴的剖面。复眼透镜130′的棒状透镜的形状对应于通过成形光学系统120的光束形状，可以形成矩形的角度分布。复眼透镜150的棒状透镜当掩模200平面具有矩形时具有矩形剖面，当掩模200平面为圆形时则应具有六方形剖面，因为从六方形要比从正方形能更有效地生成圆形。

复眼透镜130中棒状透镜的光入射面132与复眼透镜150中的光入射面152近似为光学共轭，这样可以防止因模糊导致光量损失和光通过量的降低。

现参看图2来说明复眼透镜150的光入射面152与近似均匀照明光的光强分布形状的关系，此照明光是以复眼透镜130的光出射面134作为次级光源来照明光入射面152的。这里，图2(a)是平面图，示明了当复眼透镜150具有正方形剖面的棒状透镜156a时，光入射面152与入射光的关系。图2(b)是平面图，示明了当复眼透镜具有六方形剖面的棒状透镜156b时，光入射面152与入射光的关系。

如上所述，复眼透镜130的棒状透镜136具有正方形剖面。而以光发射面134的邻域作为次级光源来照明光入射面152时的照明光分布则具有正方形138的轮廓形状。

在此实施例中，方形138的各边不平行于作为图2(a)所示棒状透镜156a正方形剖面的任一边，或不平行于图2(b)所示棒状透镜156b六方形剖面的任何一边。为便于图示，棒状透镜136的形状未于图中给出，但其形状则对应于将方形138分成五行与五列而形成的形状相对应。这样，棒状透镜136剖面形状正方形的各侧不平行于图2(a)所示棒状透镜156a正方形剖面的任意一边或不平行于图2(b)所示棒状透镜156b六方形剖面的任意一边。

至于对称轴线，如图3(a)所示一正方形具有按45°间隔而成的对称轴线，而如图3(b)所示。六方形则具有30°间隔的对称轴线。图3是用于说明正方形与六方形的对称轴线的平面图。正方形138对于图2(a)所示棒状透镜156a的任何对称轴线是不对称的。

在此实施例中一作为光强分布形状的正方形138相对于棒状透镜156a的一边形成约22.5°的角而相对于棒状透镜156b的一边形成约15°的角。正方形每隔45°有一对称轴线，因而当约移动22.5°时，光强分布(权利要求书中的“照明范围”)的边缘横切柱状透镜的位置对于各个棒状透镜行而言是不同的。这里，在形成光强分布的多个边中的任何一边与形成棒状透镜光入射面(或是在柱面透镜情形于图21(b)中所示的分光区)的多个边中的任何一边所形成的角度不限于22.5°，而在18-30°间的角度能在相同程度上提供基本相似的效果。当光强分布的形状与棒状透镜光入射面的形状之一或两者为正六方形时，每隔30°能提供对称轴线，这样，当把形成光强分布的多个边中任何一边与形成棒状透镜光入射面的多个边中任何一边之间的角度设为15°时，将改变光强分布边缘相对于各棒状透镜行横切棒状透镜的位置。在此，由上述两者形成的角度不限于15°，而12-20°之间的角度实质上能提供相似的效果。

必要时，可在复眼透镜150的光出射面154附近设在一光阑(未图示)，这种光阑是可变孔径光阑，遮蔽着为形成所需的次级光源不必要的光，可以采用例如圆孔光阑、环形照明用光阑等种种光阑。在更换可变孔径光阑时例如可以采用形成这些孔径光阑的圆盘形转台、以及控制器与驱动机构(未图示)来转动转台以变换孔口。

聚光透镜140将复眼透镜130的出射光叠加到复眼透镜150的光入射面152上，以均匀地照明复眼透镜150。由于聚光透镜140与复眼透镜150之间不存在光阑60a或60b，就可以避免因光阑导致光量损失和降低光通过率。聚光透镜160将复眼透镜150的出射出叠加到掩模200的面上，均匀地照明掩模200的表面。

必要时，可以设置遮光叶片(孔阑或狭缝)用来控制拟扫描的曝光区，然后，聚光透镜160尽可能多地会聚由复眼透镜150经波前分裂的光束，同时用遮光叶片叠加它们，对掩模200的表面进行均匀的科勒照明。上述遮光叶片与复眼透镜150的光出射面154按付立叶变换关系排列，设置成与掩模200表面成适当的共轭关系。曝光装置1必要时还可包括宽度可变的狭缝以消除照度的不均匀性。

上述遮光叶片例如当透影光学系统300是透镜型时具有大致为矩形的孔口，而当光学系统300是Offner型反射镜系统时则具有圆形孔口。通过了遮孔叶片中孔口的光束用作掩模200的照明光束。此遮光叶片是具有可自动改变孔口宽度的光阑，能够沿纵向改变后述板件400(孔口狭缝)的转印区。曝光装置1还可包括一种扫描叶片，此叶片的结构与上述遮光叶片的类似，用于水平地改变板件400的转印区。此扫描叶片也是一种孔口宽度可自动改变的光阑，设在与掩模200平面边似光学共轭的位置处。结果，曝光装置1可以在应用上述两种可变叶片使转印区的尺寸与进行曝光摄影的尺寸一致。

本实施例的照明装置100于作为被照面的掩模200平面上提供了高的光利用率，提供了近似均匀的有效光源分布，同时在掩模200平面上提供了近似均匀的有效光源分布。

如图14所示，在复眼透镜20的光入射面上沿纵向与水平方面排设着许多棒状透镜，它们横切光强分布12的边缘。图14中，与光强分布12的边缘12e(其中只是棒状透镜的上侧被照明)在相同条件下被照明的这些棒状透镜，于是图14中底部这行内从左起算的第二、第三与第四透镜，亦即25个棒状透镜中的三个。

为此，将被照面40中的光强分布50示于图15中。图15是在复盖一通过图14中12a、12b、12c、12d的直线以及光轴的平面中光学系统的剖面图。从平面上观察此光强分布50的情形示明于图16。棒状透镜的个数在图14中为5×5＝25，在图16中为4×4。图16是原理图，因而尽管棒状透镜的个数不同，但显然可以获得相同的光强分布。此情形同样适用于图17与18。图16与后述的图17相对应。图16的彩色型式作为本申请的附图是为了能更好地理解本发明。图16(a)中的数字是指各棒状透镜26的光强分布的增加数。为便于更好地理解，图16(b)于各照明范围上写出了典型的叠置次数。图16中，前级中复眼透镜20的移位为0°，而两个复眼透镜中的棒状透镜的剖面形状的边部是相互平行的。

相反，在复眼透镜150的光入射面152上横切光强分布138边缘的棒状透镜156a，于图2所示的纵向与横向上则是不固定的而是逐渐位移。例如，光强分布138的边缘横切底部中从右起的第二、三、四棒状透镜，但不横切从左起的第一、五或六棒状透镜。可以理解到，从纵向与横向观察时，将改变光强分布横切棒状透镜156a的位置以及光强分布横切区域的形状与尺寸。(在此，棒状透镜的数目与图15、16和其他图中的棒状透镜数不同，但此数无碍于原理，而用图2来说明原理是适当的。)

这样，图2所示的构型减少了作为被照面的掩模200平面上光强分布近缘处的照度不均。这在图15中相当于光强分布12a与12e的位置相对于沿垂直于图面方向排列的棒状透镜位移(例如渐次地向外或朝内)，以及在被照面40上光强分布52a与52e的位移(渐次地向内或朝外)。而减小了光强分布50的凹部53。但如上面所述，光强分布10的形状实际上也相对于垂直于图面方向排列的棒状透镜改变，不会导致光强分布52a与52e移位位置的安全重叠。但不论如何应知图2所示的构型能提供有效光源的均匀形状。

图12示明应用图2的构型时被照面200上的光强分布。图12对应于后述的图4。在此申请中附有图12的彩色型式便于更好地理解本发明。图12(a)中的数字表明所增加各个棒状透镜156a的光强分布数。为便于理解，图12(b)中写出了各照明范围上典型的重叠次数。图12表明当复眼透镜130与150之间的相对偏移面是22.5°时被照面200上的光强分布。

图13示明在图2的构型下，复眼透镜130和150之间的相对偏移角与照度不均间的关系。从图16所示可知，当相对偏移角为0°时，被照面200上的照度不均性较高，约为0.37。另一方面，可理解如图12所示，相对偏移角为22.5°时，被照面200上的照度不均性改善为0.23。但是，在图12中当此相对偏移角不是22.5°时，但在18-30°范围内，可以使不均匀照度与相对偏移角为22.5°时类似比相对偏移角为0°时的小。因此，相对偏移角不限于22.5°而也可为18-30。当分光区(示明于图21)的形状不同于所例示的，例如当其中之一或两者是正六方形时，此相对偏移角度最好是15°。但角度为12-20°时能提供大致相同的效果。

图4示明在图17的条件下，通过使复眼透镜150在光入射面152上的光强分布或使复眼透镜130倾斜22.5°，同时使棒状透镜156a中光强分布的一边不与棒状透镜156a的一边平行或对称时，此光强分布模拟计算的结果。类似地，图5表明了在图18的条件下使复眼透镜150的光入射面152上的光强分布或复眼透镜130倾斜15°，同时使棒状透镜156b的光强分布的一边设置成不与棒状透镜156b的一边平行或对称时，此光强分布的模拟计算结果。应知虽然在上述任一情表下部仍然会有某些不均匀的光强分布，但与图17和18相比，均匀性有了改进。本申请中附有图4与5的彩色型式以便更好地理解本发明。

下面参考图6说明照明装置100的变型，图6概示作为照明装置100的变型的照明装置100A中简化的光路。图7示明了以照明装置100A来取代照明装置100时，曝光装置1A中简化的光路。

照明装置100A是三重积分器构型的例子，还包括有复眼透镜170和在聚光透镜160后的聚光镜180。复眼透镜170的棒状透镜的剖面形状设定为矩形的，这是因为掩模200平面的形状通常为矩形的。聚光透镜180将复眼透镜170的出射光叠加到掩模200的平面上，均匀地照明掩模200。如上所述，遮光叶片等可以设在聚光透镜170与掩模平面之间。

在照明设备100A的光学系统中，复眼透镜130防止了光源的光强分布变化给被照面200带来的影响，复眼透镜150使得有效的光源近似均匀，而复眼透镜170则使得作为被照面200平面上的照度近似均匀。

入射到复眼透镜150上的光强分布，复眼透镜130上的棒状透镜，以及棒状透镜156a与156b，它们之间的关系完全与参看图2所述的相同，这里略去其说明。

上述实施例对于入射到复眼透镜170复限透镜150上的棒状透镜156与复眼透镜170的棒状透镜上的光强分布采用了不平行和不对称的布置，类似于参考图2所示的关系。这样，复眼透镜170的布置还在作为被照面的掩模200平面上改进了均匀照明。这里，对于复眼透镜150与170之间的关系。所述入射光强的分布可以是模糊的，或可以如先有技术中那样采用光阑。

下面说明“模糊”效应。图14是先有技术的说明图，据认为这会使光强分布12的边缘部12a与12e模糊。为了实现这种现有技术。例如可以把复眼透镜20的光入射面22从与前级复眼透镜中棒状透镜的入射面共轭的位置移开。图20示明了使图14模糊的例子。图20典型地示明了后级的复眼透镜、具有模糊边缘的入射光强分布以及被照面的光强分布之间的关系。如图20所示，入射光10A具有光强分布14a～14e(以后除非另有声明，概以标号14表明)，同时显示出徐缓倾斜的光强分布14a与14b以及14d与14e。当进入复眼透镜20的入射光10A具有了在上述方式下模糊的光强分布14的边缘时，被照面40形成了均匀的光强分布50A，它是被照面40右侧绘制出的由5个光强分布54a～54e叠加的结果。

但是，在复眼透镜光入射面上模糊的入射光有可能增大亥姆霍兹-拉格朗日不变量，这样就会造成光量损耗。此亥姆霍兹-拉格朗日不变量是距光轴的高度与光轴间形成的角度，因而不会由于光学中的所谓亥姆霍兹-拉格良日公式面在光学系统中减小。此照明装置固定了被照面的尺寸和光入射到被照面上的最大角度，从而固定了被照面上的亥姆霍兹-拉格朗日不变量。在复眼透镜光入射面上模糊的高度有可能增加距光轴的高度，这样会导致上述不变量的增大。但如以下所述，此不变量不会在光学系统中减小，它或是不变或仅仅增大。这样，在被照区上超过亥姆霍兹-拉格朗日不变量的光就不能到达被照面上，于光学系统中导致模糊和使光量损失。换言之，模糊可以作为提供均匀光强分布的有效手段。但是这会损失很大的光量而不能经常使用。

本实施例由于在复眼透镜150的光入射面152上没有模糊的光强分布且没有光阑遮光。因而能高效地利用光和提供均匀有效的光源分布。

在本实施例中可以用柱面透镜来取代棒状透镜(作为变型)。这里用来代替复眼透镜的柱面透镜可以是多个柱面透镜的组合成使其相互的母线正交，而从结构上提供了与复眼透镜类似的效应，这样，本实施例的图6或7中的复眼透镜130、150与170便为柱面透镜的组合所替换。此时，这些柱面透镜可以组合成图21所示，或者可将母线相互正交的多个柱面透镜彼此以不同于图21的方式组成。这里，当从光轴方向观察组合的柱面透镜时，它就类似于图21(b)所示的格子形式，各个似乎被分隔开的格子称之为分光区。这种分光区210起到复眼透镜的棒状透镜的作用。

作为此分光区210的轮廓的多条边在取代图6中复眼透镜130与150而设置在柱面透镜的两个组合件间是不平行的，而在取代图6中复眼透镜150与170而设置的柱面透镜的两个组合件间也是不平行的。此外，在取代图6中复眼透镜130与150而设置的柱面透镜的两个组合件间相互分光区轮廓的边之间形成的角度为22.5°，而在取代图6中复眼透镜130与150而设置的柱面透镜的两个组合件件间相互分光区轮廓的边之间形成的角度为22.5°。柱面透镜包括取代图6中复眼透镜130与170而设置的柱面透镜两个组合件之间格子的平行的或交替的不平行的边。

取代复眼透镜150而设置的柱面透镜的组合件包括相对于取代复眼透镜130而设设置的柱面透镜组合件中分光区的对称轴线为不对称的分光区以及平行于它们的直线。取代复眼透镜170而设置的柱面透镜的组合件包括相对于取代复眼透镜而设置的柱面透镜组合件中分光区的对称轴线为不对称的分光区以及平行于它们的直线。但是，取代复眼透镜170而设置的柱面透镜的组合件所包括的分光区，最好包括相对于取代复眼透镜130而设置的柱面透镜组合件中分光区的对称轴线为对称的但是交替地不对称的分光区以及平行于它们的直线。

下面参考图11来描述照明装置100的又另一变型。在此，图11概示作为照明装置100的变型照明装置100B中的简化光路。此照明装置100B应用一光管(或内反射件)190作为光积分器，同时包括聚光系统120a与中继光学系统195。

聚光系统120a将光源100的光会聚到光管190的光入射面附近，形成具有特定发射角的光而进入光管190。聚光系统120a包括至少一个透镜但也可在必要时包括使光路偏转的反射镜。设光管包括玻璃棒。则聚光系统120a会聚的点会由于光管190的光入射面192而于光源侧散集而改进玻璃棒的耐用性。

光管190使得在光入射面上不均匀的光强分布在光出射面上是均匀的，同时能让光从聚光系统120的聚光点以特定的发散角进入面继续在内侧反射。光管190的光入射面192设在距会聚点一段距离处。这是由于聚焦点附近的巨大能量密度有可能损伤光管190的光入射面处的涂层(或消反射膜)与玻璃材料

此实施例使光管190通过六方形剖面构成反射面，例如此光管是六方柱形棒件。但这种结构是示例性的，而所述剖面可以是m(m为偶数)边形的，而此光管也可以是中空棒形，光管190的入射面192与复眼透镜150的入射面152配置成光学共轭的，光管190的形状例如取矩形剖面并相对于复眼透镜150排列成如图2所示。

中继光学系统195将光管190的光出射面194以特定的放大率投影到复眼透镜150的光入射面152上，此光出射面与入射面两者成近似共轭关系。此中继光学系统195包括放大率可变的变焦距透镜，且可以调节入射到复眼透镜150的光束入射区。这样，此中继光学系统可以形成多种照明条件(即相干系数δ：照明光学系统的NA/投影光学系统的NA)。

其他的结构与照明装置100的相同，故略去其详细说明。这样一种照明装置100B能够从事与照明装置100类似的作业。

照明装置100B由于光管190需要长的光学棒来进行有效的光源分布，故受到玻璃透光率的显著影响，为此最好采用对短波长光源具有良好透光率的照明装置100或100A(例如波长为157nm的F2准分子激光器)。

掩模200例如由石英制成，其上形成要有被转印的电路图案(或图像)，受到掩模台(未图示)的支承与驱动。由掩模200发射的衍射光通过投影光学系统500，然后投影到板件400上。板件400是拟曝光的物体，上面涂布有抗蚀剂。此掩模200与板件400定位成光学共轭关系。

若曝光装置1是分步扫描曝光装置(即投描器)，掩膜200上的图案通过扫描掩模200与板件400而转印到板件400上，如果它是分步重复曝光装置(即分步器)时，此掩模200与板件400在进行曝光时保持静止状态。

掩模台(未图示)支承掩模200且与一输送机构(未图示)连接。此掩模台与投影光学系统300安装在例如由缓冲器支承于设在地板的机架上的台/透镜镜筒托架上。此掩模台可以采用相关技术中任何周知的结构。输送机构(未图示)包括线性马达等。沿正交光轴方向驱动掩模台来移动掩模。曝光装置1通过控制器同步地扫描掩模200与板件400。

投影光学系统由通过掩模200上形成的图案的衍射光束于板件400上成像。投影光学系统300可以采用只包括多个透镜件的光学系统、包括多个透镜件和至少一个凹镜的折反射光学系统、包括多个透镜件和至少一个衍射光学件的光学系统例如基诺全息摄影光学系统这样一种全反射镜型的光学系统等。当有需要校正色差时，可以使用一批由具有不同色散值(阿贝值)的玻璃材料分别制成的多个透镜，或者设置一衍射的光学元件使之能产生与透镜装置相反方向的色散。

板件400在本实施例中是一晶片，但它可以是液晶板与多种其他拟曝光的物体。于板件400上涂布光刻胶。光刻胶的涂布工序包括预处理、粘合性增强剂的涂布处理。光刻胶涂布处理与预供处理。上述预处理包括清洗、干燥等。粘合性增强剂的涂布处理是一种表面再成形工艺，能用于增强光刻胶与基底之间的粘合力(亦即通过涂布表面活性剂以提高疏水性的处理)，是通过用有机膜料如HMDS(六甲基二硅胺烷)进行涂层或蒸汽化处理而成。上述预烘处理是烧成工艺，使处理对象于显影后更其软化和除去溶剂。

板件400由晶片台(未图示)支承。晶片台可采用有关工艺中任何熟知的结构，故略去其详细说明。例如此晶片台可应用线性马达使板件400沿与光轴正交的方向运动。掩模200与板件400例如被同步地扫描，而掩模台和晶片台的位置例如由激光干涉仪等监控使这两者以恒定的速动比驱动。晶片台安装在例如通过减震器支承于地板等上的台架上。

下面描述曝光装置1的操作。曝光时，由光源110发射出的光由光束成形光学系统120整形成所需的光束形状，然后进入复眼透镜130。复眼透镜130通过聚光透镜140均匀地照明复眼透镜150。通过了复眼透镜150的光束经聚光透镜160照明掩模200。复眼透镜130与150间的位置关系可以提供均匀有效的光源形状。

为了调节复眼透镜130与150之间的位置关系。可以转动这两者中的任何一个。但例如在图6所示的构型中，复眼透镜156中的剖面形状通常设定为六方形，而是由六方形产生圆形时，这种任选转动是无效的，于是需要转动复眼透镜150。

通过了掩模200的光束被缩倍，通过投影光学系统300的成像作业，在特定的放大率下投影到板件400上。此曝光光束在板件400上的角度分布(即有效光源分布)实际上成为均匀的。若此曝光装置1为一分步器时则将光源部与投影光学系统300固定，同步地扫描掩模200与板件400，然后使整个扫描曝光。将板件400的晶片台移进作下一次拍摄，这样便在板件400上对多个拍摄结果进行曝光转印。当曝光装置1为扫描器时，则令掩模200与板件400处于静止状态下进行曝光。

本发明的曝光装置1通过将复眼透镜130的棒状透镜的边或由复眼透镜130所形成的光强分布的边缘，设定成不与棒状透镜156的任何边平行或与棒状透镜156的对称轴线不对称，而提供了均匀有效的光源分布。这样就能以高的分辨率将图案转印到光刻胶上而提供高质量的器件(如半导体器件、LCD器件、摄像器件如CCD等、薄膜磁头，等等)。由于在复眼透镜150的光入射面附近未曾设置光阑与类似器件，就能防止光量损失和使光通过量降低。

下面参考图8与9来说明采用上述曝光装置1的器件制造方法的实施例。图8是用于说明如何来制造器件(即半导体晶片如IC与LSI、LCD、CCD)的流程图。在此例示半导体晶片的制造。步骤1(电路设计)设计半导体器件电路。步骤2(掩模制造)形成具有所设计的电路图案的掩模。步骤3(晶片制造)应用例如硅材料制造晶片。步骤4(晶片处理)也称作预处理，应用掩模与晶片通过本发明的光刻技术形成实际的电路系统、步骤5(组装)也称之为前处理，将步骤4中形成的晶片形成为半导体晶体，同时包括组装步骤(例如切割、粘合)、包装步骤(晶片密封)，等等。步骤6(检查)对步骤5制得的半导体器件进行种种试验，如有效性试验和耐久性试验。通过上述步骤后，半导体器件完工并可发物(步骤7)。

图9是步骤4中晶片处理的详细流程图。步骤11(氧化)将晶片表面氧化。步骤12(CVD)于晶片表面上形成绝缘膜。步骤13(电极形成)通过汽相淀积等工艺于晶片上形成电极。步骤14(离子注入)将离子注入晶片内。步骤15(抗蚀剂处理)将光敏材料涂布到晶片上。

步骤16(曝光)应用曝光装置1将掩模上的电路图案于晶片上曝光。步骤17(显影)使曝光的晶片显影。步骤18(腐蚀)腐蚀掉已显影的抗蚀剂之外的其他部分。步骤19(抗蚀剂剥离)除去腐蚀后无用的抗蚀剂。

重复上述步骤，于是晶片上形成多层电路图密。通过应用本实施例的晶件制造方法就能均化有效的光源分布，由此能制造出较传统情形的质量为高的器件，同时能防止因光阑而使光通过量降低并消除了模糊。这在经济上也是十分有益的。在此方式下，应用了上述曝光装置1的器件制造方法以及作为成品的所述器件也能有效地用于本发明的其他方面。

此外，本发明并不局限于上述各最佳实施例，在不背离本发明的精神与范围的前提下是可以作出种种变型与改进的。

根据这里给出的实施例，能够不于光入射面处设置光阑而于被照面上获得近似均匀的分布且不使此分布于棒状透镜的光入射面上的分布棒糊，这样就可具有实现几乎无光量损失的照明装置。应用这种照明装置就能提供高生产率的曝光装置。

本发明的照明装置、包括此照明装置的曝光装置以及上述器件制造方法，不仅改进了被照面上的光强分布还制止了光量损失与光通过量的降低。

Claims (26)

1.一种照明装置，包括：

第一光积分器，它包括多个第一光学件，每个光学件具有与光轴垂直且为多个第一边界定的剖面，此第一光积分器均匀地照明被照面；

第二光积分器，它用于以照明范围照明所述第一光积分器，所述第二光积分器包括一个第二光学件，该第二光学件具有与光轴垂直且为多条第二边所界定的剖面，各个第二边都不与任一所述第一边平行；

其中，所述照明范围的边缘与所述多个第一光学件的一部分相交。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一与第二光积分器各自的光入射面相互光学共轭。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一光学件为具有六方形剖面的棒状透镜，而所述第一光积分器是复眼透镜。

4.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一光学件为具有六方形剖面的棒状透镜，而所述第一光积分器是复眼透镜，且前述第二边中包括有一条相对于所述第一边中之一形成约15°角的边。

5.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一光学件为具有矩形剖面的棒状透镜，而所述第一光积分器是复眼透镜。

6.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一光学件为具有矩形剖面的棒状透镜，而所述第一光积分器是复眼透镜，且所述第二边包括一条相对于所述第一边中之一形成约22.5°角的边。

7.根据权利要求3所述的照明装置，其中所述第二光积分器为具有矩形剖面的复眼透镜。

8.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述照明装置应用前述第一光积分器的光出射面处形成的次级光源使被照面基本均匀地照明。

9.根据权利要求1所述的照明装置，其中还包括第三光积分器，其中所述被照面是此第三积分器的光入射面，而此照明装置应用此第三光积分器的光出射面上形成的次级光源来基本均匀地照明另一被照面。

10.一种照明光学系统，包括：

应用光源的光来照明第一光积分器(130)中多个聚光系统的第一光学系统；

应用所述第一光积分器(130)中多个聚光系统的光束来照明被照面的第二光学系统；

其中，所述第一光学系统包括具有多个聚光系统的第二光积分器(150)；

所述第二光学系统包括具有多个聚光系统的第三光积分器(170)；

所述第一光积分器(130)的各聚光系统的光入射面轮廓的各边不与所述第二光积分器(150)聚光系统光入射面轮廓的任一边平行；

所述第一光积分器(130)各聚光系统的光入射面轮廓的各边不与构成第三光积分器(170)中各聚光系统的光入射面的轮廓的任一边平行。

11.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中由所述第一光学系统的光照明所述第二光积分器(150)中光入射面的照明范围以及第三光积分器(170)中多个聚光系统的各个光入射面都是矩形，

而且所述第二光积分器(150)中各聚光系统的光入射面轮廓的多个边和第三光积分器(170)中各聚光系统的光入射面轮廓的多个边间的角为18～30°。

12.根据权利要求11所述的照明光学系统，其中所述角度约为22.5°。

13.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中由所述第一光学系统的光照明此第二光积分器(150)光入射面的照明范围与此第三光积分器(170)中多个聚光系统的各个光入射面呈矩形和六方形或都为六方形，

而且所述第二光积分器(150)中各聚光系统光入射面轮廓的多个边与此第三光积分器(170)中多个聚光系统的光入射面轮廓的多个边之间的角度为12～20°。

14.根据权利要求13所述的照明光学系统，其中所述角度约为15°。

15.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第二光积分器(150)各聚光系统的光入射面轮廓的多条边中至少一条与形成所述第三光积分器(170)各聚光系统光入射面轮廓的边中至少一条近似平行。

16.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第二光积分器(150)各聚光系统的光入射面与该第三光积分器(170)的光入射面在光学上相互共轭。

17.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第一光积分器(130)的光入射面与该第三光积分器(170)的光入射面在光学上相互不共轭。

18.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第三光积分器(170)各聚光系统的光入射面与该被照面在光学上相互共轭。

19.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第一光积分器(130)的多个聚光系统中若干聚光系统的光束分别照明整个被照面，

其中余剩的聚光系统的多个光束各自只照明所述被照面的一部分且相互具有不同的照明范围。

20.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第二光积分器(150)的光照明所述第一光积分器(130)的被器照面的照明范围轮廓的各个边，都不与各聚光系统的光入射面轮廓的多条边之任一平行。

21.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第三光积分器、第一与第二光积分器这三者所具有的多个聚光系统包括在光的入射与出射面处具有凸球面的棒状透镜。

22.根据权利要求10所述的照明光学系统，其中所述第三光积分器、第一与第二光积分器这三者所具有的多个聚光系统包括由叠置一对具有相同第一母线方向的凸柱面透镜和一对具有与此第一母线方向正交的相同第二母线方向的凹柱面透镜形成的柱面透镜阵列。

23.一种曝光装置，包括：

权利要求1所述的照明系统(100A)，用于照明分划板或掩模；以及

投影光学系统，用于将分划板或掩模的图案投射到一被曝光的物体上。

24.一种器件制造方法，包括下述工序：

应用权利要求23所述的曝光装置使被曝光物体曝光；

使被曝光的物体显影。

25.一种曝光装置，包括：

权利要求10所述的照明系统(100A)，用于照明分划板或掩模；以及

投影光学系统，用于将分划板或掩模的图案投射到一被曝光的物体上。

26.一种器件制造方法，包括下述工序：

应用权利要求25所述的曝光装置(1)使被曝光物体曝光；

使被曝光的物体显影。

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