光线曝光系统分析：照明系统+投影物镜

曝光系统：曝光系统包含照明系统（光源加工）和投影物镜（高分辨成像） ，这是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一。物镜的性能决定了光刻机的线宽、套刻精度，这是光刻机的核心部件，其技术水平很大程度上代表了光刻机的技术水平。
   光刻机照明与投影物镜系统的工作流程图，如图1所示。

 图1 光刻机照明与投影物镜系统的工作流程图

照明系统为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统位于光源与投影物镜之间，这是复杂的非成像光学系统。照明系统的主要功能是为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统包括光束处理、光瞳整形、能量探测、光场匀化、中继成像和偏振照明等单元。

光学系统原理，如图2所示。

 图2 光学系统原理

图注

Safety Shutter：安全活门

Zoom expander：缩放扩展器

Light tap：光线龙头

Variable Attenuator：可变衰减器

Photodiode：光电二极管

Light：光照

CaF2 rod：CaF2棒

Movable axicon：可移动轴锥

Fixed axicon：固定轴锥

Fixed lenses：固定镜片

Illumination Lens：光照镜片

Movable lenses：可移动镜片

Collimator lens：准直器镜片

Condensor lens：聚光镜

Filter (or window)：过滤器（或窗口）

Reticle：网格

Protection Lens：防护镜片

Fixed lens groups：固定镜片组

Last plate：最后一块板

Wafer：晶片

Lens image sensor(LIS)：镜头图像传感器（LIS）

Fixed lens groups：固定镜片组

Lens Z1：镜片Z1

Lens Z2：镜片Z2

Lens Z3：镜片Z3

NA(variable)：NA（可变）

Lens X-Y：镜片X-Y坐标系

Spot energy sensor：点能量传感器

与光源相连，主要实现光束扩束、光束传输、光束稳定和透过率控制等功能，其中光束稳定由光束监测和光束转向两部分组成。

光刻机需要针对不同的掩膜结构采用不同的照明模式以增强光刻分辨力，提高成像对比度。光瞳整形单元通过光学元件调制激光束的强度或相位分布，实现多种照明模式。

用于生成特定强度分布的照明光场。引入透射式复眼微镜片阵列，每个微镜片将扩束准直后的光源分割成多个子光源，每个子光源经过科勒照明镜组后在掩膜面叠加，从而实现高均匀性的照明光场。

在掩膜面上形成严格的光束强度均匀的照明区域并将中间的平面精确成像在掩膜版平面。

照明系统结构，如图3所示。

 图3 照明系统结构

（1）提升光均匀度：光刻要以来回扫描的方式成像，这束条形光的任何位置能量都需一致。需要通过镜子进行多次反射，提升光的均匀度。

（2）控制扫描条形光的开合：晶圆上曝光单元的所有位置需要接受等量的光，因此扫描的条形光必须是能开合的。

（3）调节光形状，需要用到光瞳整形技术：不同的照明方式，比如圆形、环形、二级、四级光源下，光刻机分辨率不同。例如：光穿过掩膜版上的图案时会产生衍射效应，线宽越小，衍射角度越大，1阶衍射光超过投影物镜外就无法成像。如果将点光的形状改成环状光或其他形状，1阶衍射光就可以被收进物镜且图像对比度清晰。

衍射光无法成像，如图4所示。环形光成像，如图5所示。

 图4衍射光无法成像

 图5 环形光成像

光瞳整形单元是照明系统中技术难度较大的部件，主要技术有：基于衍射光学元件（DOE）的光瞳整形技术和基于微反射镜阵列（MMA）的自由光瞳整形技术。
    衍射光学元件（DOE）的光瞳整形：光瞳整形单元主要包括衍射光学元件、变焦距傅里叶变换镜组、锥形镜组和光瞳补偿器。衍射光学元件用于实现照明光瞳的角向调制，傅里叶变换镜组、锥形镜组用于照明光瞳的径向调制。缺点：1个衍射光学元件只能实现1种照明模式。
    微反射镜阵列（MMA）的自由光瞳整形：主要由能量均衡组件、光束分割组件、微反射镜阵列和傅里叶变换镜组组成。核心器件是微反射镜阵列，由数千个二维转角连续可调的微反射镜组成，通过调整微反射镜阵列的角位置分布可实现任意照明模式，ASML先进机型中较多使用自由光瞳整形技术。

基于衍射光学元件的光瞳整形技术，如图6所示。基于微反射镜阵列的光瞳整形技术，如图7所示。

 图6 基于衍射光学元件的光瞳整形技术

 图7 基于微反射镜阵列的光瞳整形技术