CN101916047A - 一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置。包括激光光源、光束扩束器、自由曲面透镜光束整形器、滤波光阑、变焦光学系统、光学积分器、准直光学系统、视场光阑、中继光学系统、掩模、光刻投影物镜、光刻胶；中继光学系统包括前透镜组、中间反射镜和后透镜组；滤波光阑所处位置和光学积分器的前表面所处位置是变焦光学系统的一对共轭位置，光学积分器后表面所处位置和视场光阑所处位置是准直光学系统的一对共轭位置，视场光阑所处位置和掩模所处位置是中继光学系统的一对共轭位置，掩模所处位置和光刻胶所处位置是光刻投影物镜的一对共轭位置。本发明整形效果好，能量利用率高。

Description

一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置。

背景技术

光刻是推动半导体工业迅速发展的一项关键技术，它通过曝光装置和光刻投影物镜将掩膜上的集成电路的结构图形复制到涂有光刻胶的硅片上。在光刻曝光装置中，可通过采用分辨率增强技术(如离轴照明)来提高光刻分辨率和改善焦深，因此光刻曝光装置的性能决定着投影光刻系统的性能。

光刻曝光装置一般包括光束扩束器、光束整形器、变焦光学系统、光学积分器和中继光学系统几个主要部分，其中光束整形器用于实现光刻系统所需的离轴照明模式。光刻曝光装置中常用的光束整形器有光阑(B.W.Smith，L.Zavyalova，J.S.Petersen，“Illumination pupil filtering using modified quadrupole apertures，”Proc.SPIE 3334，384-394(1998))、衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOEs)(M.D.Himel，R.E.Hutchins，J.C.Colvin，“Design and fabrication of customized illumination patterns for low k1 lithography：a diffractive approach，”Proc.SPIE 4364，1436-1442(2001))、微反射镜阵列(M.Mulder，A.Engelen，O.Noordman，“Performance of a programmable illuminator for generation of freeform sources on high NA immersion systems，”Proc.SPIE 7520，75200Y(2009))和微透镜阵列(H.Ganser，M.Darscht，Y.Miklyave，“How refractive microoptics enable lossless hyper-NA illumination systems for immersion lithography，”Proc.SPIE 6281，62810P(2006))。采用光瞳滤波，将一个形状和尺寸与预定的照明模式一致的光阑置于光学积分器的后表面，透过光阑的光束在目标面上便形成预定的离轴照明模式。由于存在对光束的阻挡，光瞳滤波能量利用率较低。采用衍射光学元件，光束经DOE衍射后再经一个傅里叶变换透镜在目标面产生所需的离轴照明模式。较光瞳滤波，衍射光学元件大大提高了能量利用率，但由于存在高级衍射和零级峰值，其效率一般不超过93％。此外，高效率的衍射光学元件依赖于高分辨率的光刻技术和高精度的玻璃蚀刻能力，因此，想通过衍射光学元件进一步提高光刻系统的能量利用率是十分困难的。采用微反射镜阵列，通过控制上万个微反射镜的倾斜角度以实现预定的照明模式，这势必增大加工和控制的难度。同时，反射会改变激光光束的偏振态，不利于改善光刻系统的焦深和成像的对比度。微透镜阵列采用偶次或奇次非球面，通过叠加每个微透镜产生的光束在目标面上形成离轴照明。微透镜阵列具有较高的效率，同时不改变光束的偏振态。类似于照明系统中的复眼透镜，要达到较高均匀度的离轴照明模式需要采用双排甚至多排的微透镜阵列，并同时减小微透镜的尺寸，这无疑对光刻曝光系统的位置校准提出了更高的要求，同时也增加了光刻曝光装置的复杂度。

为获得较好的光束整形效果和较高的能量利用率，本发明提出了一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置。

采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置包括激光光源、光束扩束器、自由曲面透镜光束整形器、滤波光阑、变焦光学系统、光学积分器、准直光学系统、视场光阑、中继光学系统、掩膜、光刻投影物镜、光刻胶；中继光学系统包括前透镜组、中间反射镜和后透镜组；激光光源的出射激光光束依次经过光束扩束器、自由曲面透镜光束整形器、滤波光阑、变焦光学系统、光学积分器、准直光学系统、视场光阑、中继光学系统、掩膜、光刻投影物镜，最后照射至光刻胶；滤波光阑所处位置和光学积分器的前表面所处位置是变焦光学系统的一对共轭位置，光学积分器后表面所处位置和视场光阑所处位置是准直光学系统的一对共轭位置，视场光阑所处位置和掩膜所处位置是中继光学系统的一对共轭位置，掩膜所处位置和光刻胶所处位置是光刻投影物镜的一对共轭位置。

所述的自由曲面透镜光束整形器包括前表面平面、后表面自由曲面和侧面圆柱面，前表面平面与后表面自由曲面通过侧面圆柱面相连接，前表面平面垂直于激光光束传播方向，后表面自由曲面用于偏折激光光束；后表面自由曲面包括第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面、第八自由曲面和圆柱面，第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面通过圆柱面相连接，后表面自由曲面关于坐标平面平面xOz和坐标平面yOz对称；激光光束经第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的内环，激光光束经第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的外环；

其中，后表面自由曲面的面型由如下公式确定：

第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面的面型确定公式为

其中

第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面的面型确定公式为

其中

$R_1=\sqrt{-\frac{{w_0}^2}{2}\ln \{1-\frac{[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)}{[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}\}},$

R_max为激光光束在前表面平面位置处截面的最大半径，r_max1和r_min1、r_max2和r_min2分别为目标面上双四极均匀照明光斑的内环区域和外环区域的最大外径和最小内径，w₀为前表面平面上光斑强度为中心强度的1/e处的半径，θ_max和θ_min为目标面照明区域内位于第一象限的双四极光斑的直线边界与x轴正向的夹角，(t_x，t_y，t_z)为目标面照明区域内点T的直角坐标，(θ，ρ)为后表面自由曲面上点P的球坐标，θ的取值范围为[0，π/2]，

的取值范围为[0，π/2)，ρ_θ和

分别为矢径ρ关于θ和

的偏导数，n_I为自由曲面透镜的折射率，n_O为介质的折射率，且n_O＜n_I，π为圆周率。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明提出的采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置具有较好的光束整形效果和较高的能量利用率。

附图说明

图1为采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置的结构示意图；

图2为用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的设计原理图；

图3为用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的内环区域的能量映射关系图；

图4为用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的外环区域的能量映射关系图；

图5(a)为用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图5(b)为用于单四极均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图6(a)为用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图6(b)为用于单偶极均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图7(a)为用于双环形均匀照明的自由曲面透镜的剖视图；

图7(b)为用于双环形均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图8(a)为用于单环形均匀照明的自由曲面透镜的剖视图；

图8(b)为用于单环形均匀照明的自由曲面透镜的透视图；

图9(a)为滤波光阑(3)处的双四极均匀照明光斑；

图9(b)为滤波光阑(3)处的单四极均匀照明光斑；

图9(c)为滤波光阑(3)处的双偶极均匀照明光斑；

图9(d)为滤波光阑(3)处的单偶极均匀照明光斑；

图9(e)为滤波光阑(3)处的双环形均匀照明光斑；

图9(f)为滤波光阑(3)处的单环形均匀照明光斑。

具体实施方式

如图1所示，采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置包括激光光源LS、光束扩束器1、自由曲面透镜光束整形器2、滤波光阑3、变焦光学系统4、光学积分器5、准直光学系统6、视场光阑7、中继光学系统8、掩膜M、光刻投影物镜PL、光刻胶W；中继光学系统8包括前透镜组8.1、中间反射镜8.2和后透镜组8.3；激光光源LS的出射激光光束依次经过光束扩束器1、自由曲面透镜光束整形器2、滤波光阑3、变焦光学系统4、光学积分器5、准直光学系统6、视场光阑7、中继光学系统8、掩膜M、光刻投影物镜PL，最后照射至光刻胶W；滤波光阑3所处位置和光学积分器5的前表面所处位置是变焦光学系统4的一对共轭位置，光学积分器5后表面所处位置和视场光阑7所处位置是准直光学系统6的一对共轭位置，视场光阑7所处位置和掩膜M所处位置是中继光学系统8的一对共轭位置，掩膜M所处位置和光刻胶W所处位置是光刻投影物镜PL的一对共轭位置。

所述的自由曲面透镜光束整形器2包括包括前表面平面S1、后表面自由曲面S2和侧面圆柱面S3，前表面平面S1与后表面自由曲面S2通过侧面圆柱面S3相连接，前表面平面S1垂直于激光光束传播方向，后表面自由曲面S2用于偏折激光光束；后表面自由曲面S2包括第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3、第四自由曲面S2.4、第五自由曲面S2.5、第六自由曲面S2.6、第七自由曲面S2.7、第八自由曲面S2.8和圆柱面S2.9，

第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3、第四自由曲面S2.4、第五自由曲面S2.5、第六自由曲面S2.6、第七自由曲面S2.7和第八自由曲面S2.8通过圆柱面S2.9相连接，后表面自由曲面S2关于坐标平面平面xOz和坐标平面yOz对称；激光光束经第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3和第四自由曲面S2.4偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的内环，激光光束经第五自由曲面S2.5、第六自由曲面S2.6、第七自由曲面S2.7和第八自由曲面S2.8偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的外环；

其中，后表面自由曲面S2的面型由如下公式确定：

第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3和第四自由曲面S2.4的面型确定公式为

其中

第五自由曲面S2.5、第六自由曲面S2.6、第七自由曲面S2.7和第八自由曲面S2.8的面型确定公式为

其中

$R_1=\sqrt{-\frac{{w_0}^2}{2}\ln \{1-\frac{[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)}{[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}\}},$

R_max为激光光束在前表面平面S1位置处截面的最大半径，r_max1和r_min1、r_max2和r_min2分别为目标面上双四极均匀照明光斑的内环区域和外环区域的最大外径和最小内径，w₀为前表面平面S1上光斑强度为中心强度的1/e处的半径，θ_max和θ_min为目标面照明区域内位于第一象限的双四极光斑的直线边界与x轴正向的夹角，(t_x，t_y，t_z)为目标面照明区域内点T的直角坐标，(θ，

ρ)为后表面自由曲面S2上点P的球坐标，θ的取值范围为[0，π/2]，

的取值范围为[0，π/2)，ρ_θ和

分别为矢径ρ关于θ和

的偏导数，n_I为自由曲面透镜的折射率，n_O为介质的折射率，且n_O＜n_I，π为圆周率。

下面将详细描述采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置中的各元件的类型、功能及元件之间的位置关系。元件LS为投影光刻系统的光源，光源LS可以是波长为248nm的KrF准分子激光器、波长为193nm的ArF准分子激光器，也可以是波长为157nm的F2激光器。元件1为光束扩束器，用于调整激光光束的截面尺寸，以避免光束能量过于集中，同时满足光束整形器对入射激光束截面尺寸的要求。元件2为自由曲面透镜光束整形器，是一种用于双四极均匀照明的自由曲面透镜，用于在滤波光阑3位置处形成离轴照明所需的双四极均匀照明光斑。元件3为滤波光阑，用于挡去由自由曲面透镜光束整形器产生的位于预定的离轴照明光斑之外的光线。滤波光阑3与自由曲面透镜光束整形器所需实现的预定的离轴照明光斑具有相同的尺寸和形状。元件4为变焦光学系统，变焦光学系统4用于改变滤波光阑3位置处所得到的离轴照明光斑的照明相干因子，以获得准确的瞳面照明。元件5光学积分器，用于进一步提高离轴照明光斑的均匀性。光学积分器5一般采用微透镜阵列或者复眼透镜。光学积分器5的前表面所处位置和滤波光阑3所处位置是变焦光学系统4的一对共轭位置。元件6为准直光学系统，元件7为视场光阑。视场光阑7所处位置和光学积分器5的后表面所处位置是准直光学系统6的一对共轭位置。元件8为中继光学系统，用于将视场光阑7位置处的均匀照明光斑成像于掩膜M。中继光学系统8由前透镜组8.1、中间反射镜8.2和后透镜组8.3构成，其中中间反射镜8.2起偏折光路的作用，以减小光刻曝光装置的横向尺寸。视场光阑7所处位置和掩膜M所处位置是中继光学系统8的一对共轭位置。元件M为掩膜，元件PL为投影光刻物镜，元件W为光刻胶。掩膜M所处位置和光刻胶W所处位置为投影光刻物镜PL的一对共轭位置。

下面将结合具体的示例，来详细描述本发明的光刻曝光装置中的自由曲面透镜光束整形器的实现过程，双四极均匀照明的参数如表1所示。

表1

如图2所示，图2为用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的设计原理图。取激光光束传播的方向为z轴的正向，透镜后表面自由曲面S2与z轴的交点为点B(0，0，h)。为便于对实施例的描述，使前表面平面S1位于坐标平面xOy内，激光光束采用基模高斯光束，该基模高斯光束经扩束系统扩束后在平面S1上的振幅分布满足下式

$E(x,y)=\exp (-\frac{x^2+y^2}{{w_0}^2})$

根据上述振幅分布，求得激光光束在平面S1上的强度分布

$I_1(x,y)=\exp (-2\frac{x^2+y^2}{{w_0}^2})$

在实施例中，取w₀＝3mm，h＝10mm，目标面与z轴交点的纵坐标t_z＝500mm，光束在透镜前表面平面S1上的分布区域为一个半径为R_max＝6.5mm的圆形区域。

需明确的是，所需整形的激光光束不限于基模高斯光束，振幅E(x，y)或者光强I₁(x，y)可用函数表达式表示且具有光轴旋转对称性质的激光光束均适用。

在图2中，入射激光光束中一条任意光线R_i垂直前表面平面S1入射，在前表面平面S1和后表面自由曲面S2之间传播一定距离后入射至后表面自由曲面S2上的任意点P(p_x，p_y，p_z)，再经后表面自由曲面S2折射，出射光线入射至目标面照明区域上的点T(t_x，t_y，t_z)。因此，只要根据目标面的具体照明要求，为入射激光光束的每一条光线在后表面自由曲面S2上确定相应的点P的坐标及曲面在点P处的斜率，即可实现预定的整形要求。

设后表面自由曲面S2在直角坐标系下的参数方程为

或写成向量方程

其中，

为点P对应的位置矢量，(θ，ρ(θ，

))为后表面自由曲面S2上点P的球坐标，θ为位置矢量

在x-y平面上的投影与x轴的夹角，为位置矢量

与z轴的夹角，ρ(θ，

)为位置矢量

的模，且ρ(θ，

)为θ和的函数。因此，位置矢量

又可以表示为

$\stackrel{\→}{P}=\mathrm{\ρ}\×{\stackrel{\→}{I}}_p$

其中，

为位置矢量的单位向量，

由于空间曲面上一点处的法矢等于曲面上经过此点的两条曲线切矢的叉乘，因此，后表面自由曲面S2在点P处的的单位法矢

可表示为

其中，

分别为位置矢量

在θ和

方向上的切矢，且

${\stackrel{\→}{P}}_{\mathrm{\θ}}=d(\mathrm{\ρ}\×{\stackrel{\→}{I}}_p)={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\θ}}\×{\stackrel{\→}{I}}_p+\mathrm{\ρ}\×{\stackrel{\→}{I}}_{p_{\mathrm{\θ}}},$

和

分别为单位向量在θ和

方向上的导数，ρ_θ和

分别为点P的矢径ρ在θ和

方向上的导数，表示后表面自由曲面S2在点P处的曲面斜率。

激光光束具有极好的方向性，在较短的传播距离内激光光束可视为平行光，由于前表面平面S1垂直于激光光束的传播方向，前表面平面S1对激光光束的偏折可以忽略，因此入射至后表面自由曲面S2的激光光束的单位方向向量可取为

在图2中，从后表面自由曲面S2上点P处出射并入射至目标面照明区域上点T的出射光线的单位方向向量为

$\stackrel{\→}{O}=(O_x,O_y,O_z)$

设点T对应的位置矢量为

则单位向量

可表示为

根据后表面自由曲面S2上点P处的入射光线的单位方向向量和出射光线的单位方向向量

由折射定律可得

$n_O\×\stackrel{\→}{O}-n_I\×\stackrel{\→}{I}=[{n_O}^2+{n_I}^2-2\×n_O\×n_I\×(\stackrel{\→}{O}\·\stackrel{\→}{I})]\×\stackrel{\→}{N}$

根据该折射关系式和后表面自由曲面S2在点P处的的单位法矢

的表达式，可求得后表面自由曲面S2上激光光束入射点P的球坐标、目标面照明区域上折射光线入射点T的直角坐标、后表面自由曲面S2上激光光束入射点P处的曲面斜率这三者之间的对应关系

其中

再经整理，可得ρ_θ和

满足的关系式

令

则

得到一个常微分方程组，初始条件：ρ(0，0)＝h。

由于上述常微分方程组含有参数t_x、t_y和t_z，在数值求解该常微分方程组之前还需构建出后表面自由曲面S2上的点T和目标面照明区域的点P之间的坐标关系。

参照图3和图4所示的本发明的自由曲面透镜的能量映射关系，半径为R_max＝6.5mm的圆形区域内的激光光束经整形后在目标面上形成内环内径为r_min1、外径为r_max1，外环内径为r_min2、外径为r_max2的双四极均匀照明区域，根据能量守恒

${\∫}_0^{R_{\max }}\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×2\mathrm{\πr}\×\mathrm{dr}=4\×E\×({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×[{\∫}_{r_{\min 1}}^{r_{\max 1}}r\×\mathrm{dr}+{\∫}_{r_{\min 2}}^{r_{\max 2}}r\×\mathrm{dr}]$

求得目标面照明区域的照度为

$E=\frac{{{\mathrm{\πw}}_0}^2[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]}{4({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}$

假设目标面上内环照明区域对应入射激光光束截面上半径为R₁的圆形区域，根据能量守恒

${\∫}_0^{R_1}\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×2\mathrm{\πr}\×\mathrm{dr}=2\×{\∫}_{r_{\min 1}}^{r_{\max 1}}E\×({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×r\×\mathrm{dr}$

求得

$R_1=\sqrt{-\frac{{w_0}^2}{2}\ln \{1-\frac{[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)}{[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}\}}$

参照图3所示的本发明的自由曲面透镜的内环能量映射关系，假设半径为r的圆形区域内的激光光束经整形后在目标面上形成内径为r_min1、外径为r₁的四极均匀照明区域，也即是在光束截面上半径为r的圆环对应照明区域半径为r₁的圆环，根据能量守恒

${\∫}_0^r\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×2\mathrm{\πr}\×\mathrm{dr}=4\×{\∫}_{r_{\min 1}}^{r_1}E\×({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×r\×\mathrm{dr}$

求得r和r₁的关系式

$r_1=\sqrt{\frac{[1-\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})][({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}{1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})}+{r_{\min 1}}^2}$

由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的强度分布均关于平面xOz和平面yOz对称，因此可取位于第一象限的区域进行分析。假设入射激光光束截面内角θ所在的区域对应于目标面照明区域角(θ₁-θ_min)所在的区域，根据能量守恒

${\∫}_0^{R_1}\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×\mathrm{\θ}\×r\×\mathrm{dr}={\∫}_{r_{\min 1}}^{r_{\max 1}}E\×({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×r\×\mathrm{dr}$

求得θ和θ₁的关系式

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_{\min }+\frac{2\mathrm{\θ}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })[1-\exp (-\frac{{2R}_1^2}{{w_0}^2})][({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}{\mathrm{\π}({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]}$

进而求得目标面照明区域上点T的坐标

t_x＝r₁×cosθ₁

t_y＝r₁×sinθ₁

而

从而构建出点T和点P之间的坐标关系。

参照图4所示的本发明的自由曲面透镜的外环能量映射关系，假设内径为R₁、外径为r的环形区域内的激光光束经整形后在目标面上形成内径为r_min2、外径为r₁的四极均匀照明区域，也即是在光束截面上半径为r的圆环对应照明区域半径为r₁的圆环，根据能量守恒

${\∫}_{R_1}^r\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×2\mathrm{\πr}\×\mathrm{dr}=4\×{\∫}_{r_{\min 2}}^{r_1}E\×({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×r\×\mathrm{dr}$

求得r和r₁的关系式

$r_1=\sqrt{\frac{[\exp (-\frac{{2R}_1^2}{{w_0}^2})-\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})][({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}{1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})}}+{r_{\min 2}}^2$

由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的强度分布均关于平面xOz和平面yOz对称，因此可取位于第一象限的区域进行分析。假设入射激光光束截面内角θ所在的区域对应于目标面照明区域角(θ₁-θ_min)所在的区域，根据能量守恒

${\∫}_{R_1}^{R_{\max }}\exp (-\frac{{2r}^2}{{w_0}^2})\×\mathrm{\θ}\×r\×\mathrm{dr}={\∫}_{r_{\min 2}}^{r_{\max 2}}E\×({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_{\min })\×r\×\mathrm{dr}$

求得θ和θ₁的关系式

进而求得目标面照明区域上点T的坐标

t_x＝r₁×cosθ₁

t_y＝r₁×sinθ₁

而从而构建出点T和点P之间的坐标关系。

根据所构建出的点T和点P之间的坐标关系，利用四阶龙格-库塔法对常微分方程组进行求解。由于后表面自由曲面S2关于平面xOz和平面yOz对称，可选取位于

的第一自由曲面S2.1和第五自由曲面S2.5作为求解对象。首先对θ的取值区域按照取定的步长进行离散化，在每个离散化值θ_i处将θ_i视为常数，将

作为变量，然后根据初始条件ρ(0，0)＝h利用利用四阶龙格-库塔法编程求解常微分方程

所求得的数据即为第一自由曲面S2.1和第五自由曲面S2.5的面型，最后将第一自由曲面S2.1和第五自由曲面S2.5进行平面xOz和平面yOz对称即可得到第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3、第四自由曲面S2.4、第六自由曲面S2.6、第七自由曲面S2.7、第八自由曲面S2.8，如图5(a)所示。

目标面照明区域双四极均匀照明模拟效果图参见图9(a)，整形过程能量传输效率为89.81％，目标面照明区域照度均匀性为84.89％。

当r_max1＝r_min1＝r_min2时，目标面照明区域双四极均匀照明演变成单四极均匀照明，此时的自由曲面透镜的结构示意图如图5(b)所示，采用第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3和第四自由曲面S2.4构成整张后表面自由曲面S2。目标面照明区域四极均匀照明模拟效果图参见图9(b)，整形过程能量传输效率为93.6％，目标面照明区域照度均匀性为87.94％。

当θ_max＝π-θ_min时，目标面照明区域双四极均匀照明演变成双偶极均匀照明，此时的自由曲面透镜的结构示意图如图6(a)所示，后表面自由曲面S2包括第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3、第四自由曲面S2.4和圆柱面S2.5，第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2、第三自由曲面S2.3与第四自由曲面S2.4通过圆柱面S2.5相连接。目标面照明区域双极均匀照明模拟效果图参见图9(c)，整形过程能量传输效率为90.45％，目标面照明区域照度均匀性为88.96％。

当θ_max＝π-θ_min且r_max1＝r_min1＝r_min2时，目标面照明区域双四极均匀照明演变成单偶极均匀照明，此时的自由曲面透镜的结构示意图如图6(b)所示，此时第一自由曲面S2.1和第二自由曲面S2.2构成整张后表面自由曲面S2。目标面照明区域偶极均匀照明模拟效果图参见图9(d)，整形过程能量传输效率为93.17％，目标面照明区域照度均匀性为89.81％。

当θ_min＝0且θ_max＝2π-θ_min时，目标面照明区域双四极均匀照明演变成双环形均匀照明，此时的自由曲面透镜的结构示意图如图7所示，后表面自由曲面S2包括第一自由曲面S2.1、第二自由曲面S2.2和圆柱面S2.3，第一自由曲面S2.1和第二自由曲面S2.2通过圆柱面S2.3相连接。目标面照明区域双环形均匀照明模拟效果图参见图9(e)，整形过程能量传输效率为98.67％，目标面照明区域照度均匀性为95.5％。

当θ_min＝0、θ_max＝2π-θ_min且r_max1＝r_min1＝r_min2时，目标面照明区域双四极均匀照明演变成单环形均匀照明，此时的自由曲面透镜的结构示意图如图8所示，第一自由曲面S2.1构成后表面自由曲面S2。目标面照明区域环形均匀照明模拟效果图参见图9(f)，整形过程能量传输效率为99.04％，目标面照明区域照度均匀性为95.71％。

在此需明确的是，用于单四极均匀照明的自由曲面透镜、用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜、用于单偶极均匀照明的自由曲面透镜、用于双环形均匀照明的自由曲面透镜和用于单环形均匀照明的自由曲面透镜均属于用于双四极均匀照明的自由曲面透镜的特例，因此用于单四极均匀照明的自由曲面透镜、用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜、用于单偶极均匀照明的自由曲面透镜、用于双环形均匀照明的自由曲面透镜和用于单环形均匀照明的自由曲面透镜均含于用于双四极均匀照明的自由曲面透镜，理应在本发明的权利要求范围内。

根据上述六种自由曲面透镜光束整形器形成的离轴照明光斑以及各光束整形器的效率可知，本发明的采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置具有较好的光束整形效果和较高的能量利用率。此外，不同于采用衍射光学元件实现离轴照明的光刻曝光装置，本发明的光刻曝光装置采用自由曲面透镜作为光束整形器，可直接在滤波光阑3位置处形成离轴照明光斑，而无需借助傅里叶变换透镜等元件，因此本发明的采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置的结构复杂程度得以降低，具有较广的应用前景。

Claims (2)

1.一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置，其特征在于包括激光光源(LS)、光束扩束器(1)、自由曲面透镜光束整形器(2)、滤波光阑(3)、变焦光学系统(4)、光学积分器(5)、准直光学系统(6)、视场光阑(7)、中继光学系统(8)、掩膜(M)、光刻投影物镜(PL)、光刻胶(W)；中继光学系统(8)包括前透镜组(8.1)、中间反射镜(8.2)和后透镜组(8.3)；激光光源(LS)的出射激光光束依次经过光束扩束器(1)、自由曲面透镜光束整形器(2)、滤波光阑(3)、变焦光学系统(4)、光学积分器(5)、准直光学系统(6)、视场光阑(7)、中继光学系统(8)、掩膜(M)、光刻投影物镜(PL)，最后照射至光刻胶(W)；滤波光阑(3)所处位置和光学积分器(5)的前表面所处位置是变焦光学系统(4)的一对共轭位置，光学积分器(5)后表面所处位置和视场光阑(7)所处位置是准直光学系统(6)的一对共轭位置，视场光阑(7)所处位置和掩膜(M)所处位置是中继光学系统(8)的一对共轭位置，掩膜(M)所处位置和光刻胶(W)所处位置是光刻投影物镜(PL)的一对共轭位置。

2.根据权利要求1所述的一种采用自由曲面透镜实现离轴照明的光刻曝光装置，其特征在于所述的自由曲面透镜光束整形器(2)包括前表面平面(S1)、后表面自由曲面(S2)和侧面圆柱面(S3)，前表面平面(S1)与后表面自由曲面(S2)通过侧面圆柱面(S3)相连接，前表面平面(S1)垂直于激光光束传播方向，后表面自由曲面(S2)用于偏折激光光束；后表面自由曲面(S2)包括第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)、第四自由曲面(S2.4)、第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)、第八自由曲面(S2.8)和圆柱面(S2.9)，第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)、第四自由曲面(S2.4)、第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)通过圆柱面(S2.9)相连接，后表面自由曲面(S2)关于坐标平面平面xOz和坐标平面yOz对称；激光光束经第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的内环，激光光束经第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双四极均匀照明中的外环；

其中，后表面自由曲面(S2)的面型由如下公式确定：

第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)的面型确定公式为

其中

第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)的面型确定公式为

其中

$R_1=\sqrt{-\frac{{w_0}^2}{2}\ln \{1-\frac{[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)}{[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}\}},$

R_max为激光光束在前表面平面(S1)位置处截面的最大半径，r_max1和r_min1、r_max2和r_min2分别为目标面上双四极均匀照明光斑的内环区域和外环区域的最大外径和最小内径，w₀为前表面平面(S1)上光斑强度为中心强度的1/e处的半径，θ_max和θ_min为目标面照明区域内位于第一象限的双四极光斑的直线边界与x轴正向的夹角，(t_x，t_y，t_z)为目标面照明区域内点T的直角坐标，(θ，

ρ)为后表面自由曲面(S2)上点P的球坐标，θ的取值范围为[0，π/2]，

的取值范围为[0，π/2)，ρ_θ和

分别为矢径ρ关于θ和

的偏导数，n_I为自由曲面透镜的折射率，n_O为介质的折射率，且n_O＜n_I，π为圆周率。

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