CN103399414B - 消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法，在衍射光学元件的前面或后面放置一块表面垂直于光束传输方向的散射片，所述的散射片输出的半孔径角与所述衍射光学元件输出的半孔径角相同。本发明可应用于光刻机照明系统中，实现对光刻机传统、二极、四极照明模式下衍射零级的消除。

Description

消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法

技术领域

本发明涉及光刻机，特别是一种消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法，可对特定衍射光学元件衍射光场的优化，用在光刻机照明系统中，可实现对光刻机传统、二极、四极照明模式下衍射零级的消除。

背景技术

在光刻机的照明系统中，为了提高光刻质量，通常采用各种分辨率增强技术，离轴照明就是其中的一种重要的技术。离轴照明技术把激光器输出光束的横截面内的光强分布转换成可提高成像分辨率的特定的光强分布，这种特定的光强分布可以是针对不同掩模图案的二极、四极分布，也可以是均匀的圆形分布。衍射光学元件基于光的衍射原理可以方便地实现对光波的调制，因此被用在光刻机照明系统中实现离轴照明的功能。自1887年LordRayleigh使用的振幅型菲涅尔波带片以来，1898年Wood制出了位相型菲涅尔波带片，而D.Gabor提出的波前重现全息原理将衍射光学元件的发展带入一个新的纪元。将位相息图按表面浮雕的形式记录在基底材料上，实现对入射光束的调制。麻省理工学院林肯实验室提出的用系列台阶形状来近似连续位相浮雕结构，从而产生了二元光学元件。现有的衍射光学元件加工技术中，主要的衍射光学元件制造方法有掩模套刻法，而其最小单元尺寸为亚微米量级。为提高衍射光学元件性能，通过增加台阶数来提高衍射效率，随之而来的是多次加工误差的引入。总体上，对于二元衍射元件来说，表面刻蚀深度的误差会导致零级衍射强度的增大。而零级衍射的存在会对光刻机照明系统中的其他光学元件造成不可逆的破坏，因此必须消除。

VilleKettunen等人考虑在二元位相元件的基础上引入第三位相层，用以消除不必要的零级衍射(Kettunen,V.,etal."Diffractiveelementsdesignedtosuppressunwantedzerothorderduetosurfacedeptherror."JournalofModernOptics,51(14),2111-2123,(2004))。HaoZhang等人针对全息投影中的空间光调制器系统提出了利用附加相位法消除不必要的零级衍射(Hao,Z.,etal."Eliminationofazero-orderbeaminducedbyapixelatedspatiallightmodulatorforholographicprojection."AppliedOptics,48(30),5834-5841,(2009))。JinyangLiang等人提出了一种位相压缩法，该方法在计算机在线全息图的空间光调制器（SLM）设计好之后，对SLM每个像素格的相位乘以一相同的压缩因子，产生一束光和衍射零级干涉相消(Liang,J.,etal."Suppressionofthezero-orderdiffractedbeamfromapixelatedspatiallightmodulatorbyphasecompression."AppliedOptics,51(16),3294-3304,(2012))。虽然科学工作者对于衍射零级的消除有了比较多的研究，但上述方法除了有对原元件的再加工需求外，也存在只适用于特定反射型位相元件的问题，对实现光刻机照明模式的衍射光学元件的零级衍射消除并没有提出特定的方法。因此迫切需要一种适用于产生特定照明模式的衍射光学元件的零级衍射消除方法。

中国专利“用于使零级减少的光学设计”（CN101984767A）提出了一种使零级衍射减少的衍射光学元件设计。该设计使用两片靠近的衍射光学元件，第一片衍射光学元件产生的衍射图样中包括的衍射零级被第二片衍射光学元件调制，形成另一衍射图样，再使两个衍射图样部分重合，已达到形成新的零级衍射被抑制的衍射图样。但这种方法是针对特定的衍射图样，需两片衍射光学元件配合设计，不可移植到已存在的衍射光学元件系统中。另有中国专利“零级衍射滤光器”（CN101135780A）提出了一种利用衍射微结构波导层以分离零级衍射的方法。但该滤光器有特定的反射谱和透射谱，取决于相对于观察者的角度，因此并不适用于光刻机照明系统。

发明内容

本发明旨在填补上述方法的空缺，提供一种消除衍射光学元件加工误差引起的零级衍射光斑的方法，该方法可应用于光刻机照明系统中，实现对光刻机传统、二极、四极照明模式下衍射零级的消除。

本发明的技术解决方案如下：

一种消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法，其特点在于在衍射光学元件的前面或后面放置一块表面垂直于光束传输方向的散射片，所述的散射片输出的半孔径角与所述衍射光学元件输出的半孔径角相同。

与在先技术相比，本发明有如下优势：

1．本发明提出的消除衍射光学元件零级衍射光斑的方案结构简单，易于操作。

2．本发明提出的消除衍射光学元件零级衍射光斑的方案，是一种通用的衍射光学元件消除零级衍射光强的方法，对衍射光学元件本身没有特定的要求。

附图说明

图1是为了验证本发明方法效果的光路结构图

图2为本发明消除衍射光学元件零级衍射光斑的原理图

图3为理想衍射光学元件的远场衍射图样

图4为含加工工艺误差衍射光学元件的远场衍射图样

图5为散射片的远场衍射图样

图6为采用散射片修整后的含加工工艺误差衍射光学元件的远场衍射图样

图7为所述的散射片含有加工工艺误差时，衍射光学元件的远场衍射图样

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点清晰，下面结合附图和实施例对本发明作详细阐述。

请参照图1，图1是为了验证本发明方法效果的装置光路结构图，该装置包括激光器1、衰减片2、光阑3、扩束镜组4、衍射光学元件5、散射片6、傅里叶变换透镜7和CCD图像传感器8，上述元件的位置关系如下：

沿着激光器1发出的激光束传输方向，依次是衰减片2、光阑3、扩束镜组4、衍射光学元件5、散射片6、傅里叶变换透镜7和CCD图像传感器8，所述的散射片6置于衍射光学元件5和傅里叶变换透镜7之间，所述的衍射光学元件5置于所述的傅里叶变换透镜7的前焦面，CCD图像传感器8的光敏面位于所述傅里叶变换透镜7的后焦面上。

激光器1采用准分子激光器。衰减片2，置于扩束镜组4之前用以减弱入光强，保证CCD图像传感器接收到的光信号低于饱和阈值。光阑3置于所述的衰减片2之后，用于限制入射光束的直径使之略小于衍射光学元件5和散射片6的通光口径，并消除杂散光，保证入射到衍射光学元件5表面上的入射光束质量。扩束镜组4置于光阑3之后，获得强度均匀的光束。

衍射光学元件5和所述的散射片6，用于产生一定的衍射形状。所述衍射光学元件5为台阶型纯相位衍射元件，用于产生相应的衍射花样。所述的散射片6，是运用“二元光学”的方法设计的两台阶器件。散射片6的半孔径角与衍射光学元件5的半孔径角相同。

傅里叶变换透镜7与CCD图像传感器8用于对衍射光学元件的远场图像进行探测，衍射光学元件5置于所述的傅里叶变换透镜7的前焦面，利用所述的傅里叶变换透镜7将衍射光学元件5产生的衍射花样成像于CCD图像传感器8上。CCD图像传感器8的光敏面位于所述傅里叶变换透镜7的后焦面上。

当激光器发出的高斯光束经衰减片、光阑和扩束镜组处理后，生成的均匀光束入射到衍射光学元件，通过傅里叶变换透镜在CCD图像传感器光敏面上形成远场图样。由于工艺误差，远场图样有非常明显的衍射零级。在衍射光学元件之后加入设计好的散射片，并调节其位置可以在CCD图像传感器上得到无零级衍射的所需图样。参考图2所示的原理图，本发明的物理原理描述如下：

定义上述衍射光学元件其入射光场E₀为高斯光束，则衍射光学元件的入射光场可表示为：

$E_0\widetilde{(x_0,y_0})=\exp (-\frac{x_0^2+y_0^2}{w^2}))---\left(1\right)$

w为高斯光束半径。

高斯光场在经过衍射光学元件的调制后在衍射光学元件的后表面得到的光场E₁可以表示为：

$E_1\widetilde{(x_1,y_1})=E_0\widetilde{(x_0,y_0})\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{DOE}}(x_0,y_0)---\left(2\right)$

式中，ρ_DOE(x₀，y₀)为衍射光学元件的位相分布。

E₁经过距离d的菲涅耳衍射传输到散射片的前表面，则根据衍射传播关系散射片前表面的光场E₂与原光场E₁有关系如下：

其中，d为衍射光学元件到散射片的距离。散射片的位相分布可以用按单元分布的随机位相点表示，为方便分析，假设随机位相点分布为圆形，则其位相分布可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{diffuser}}(x_2,y_2)=\mathrm{circ}\left(\frac{\sqrt{x_2^2+y_2^2}}{a}\right)*{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n\mathrm{\δ}(x-{\mathrm{\ζ}}_j,y-{\mathrm{\η}}_j)---\left(4\right)$

那么，入射光场E₀经衍射光学元件和散射片，再经傅里叶透镜后，可以得到透镜后焦面上的光场分布E如下：

只需要考虑相对光强分布，因此分析时略去常数相位因子。把式(1)至(4)代入式(5)，得

在理想情况下，所述的衍射光学元件在2f系统中，以高斯光束入射，在傅里叶变换透镜后焦面处应得到理想的图样。但实际中，由于制造工艺误差的存在透镜后焦面得到的图样多了不需要的零级斑，故此时焦面处的光场分布可以表示为:

E=A+B(x,y)，

式中，A表示零级衍射光斑，即只有当x=0且y=0时，函数A才有值，故A为冲击函数可设为A=aS(X,y)oB(x,y)表示需要的远场衍射花样。根据菲涅耳衍射原理和透镜的傅里叶性质刻可知：

即

把式(7)和(10)代入式(6)得：

$E\widetilde{(x,y)}\∝[\mathrm{a\δ}(x,y)+B(x,y)*\{\frac{J_1\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{\mathrm{\ρ}}\·\left\{\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[\exp -\left(i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+{\mathrm{v\η}}_j)\right)\left]\right\}$

如果只考虑零级衍射E_zero部分，则

$E_0\∝\mathrm{\δ}(x,y)*\{\frac{J_1\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{\mathrm{\ρ}}\·\{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n\left[\exp (-i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j))\right]\}=\frac{J_1\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{\mathrm{\ρ}}\·$

$\left\{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n\right[\exp (-i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j))\left]\right\}---\left(11\right)$

$I_0\∝\left(\mathrm{abs}\right\{\frac{J_1\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{\mathrm{\ρ}}\·\left\{\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[\exp (-i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j))\left]\right\}{)}^2$

$=\frac{J_1^2\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{{\mathrm{\ρ}}^2}\·\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n\right[\exp (-i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j))]{|}^2---\left(12\right)$

其中，第二项展开化简得到：

$\left|\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[\exp (-i2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_i,+v{\mathrm{\η}}_j))]{|}^2$

$={\left(\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right\{\cos \left[2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j)\right]\left\}\right)}^2+{\left(\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right\{\sin \left[2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j,+v{\mathrm{\η}}_j)\right]\left\}\right)}^2$

${=n}^2+2\underset{i,j=1,i\≠j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_i+v{\mathrm{\η}}_i\right]\·\cos \left[2\mathrm{\π}(u{\mathrm{\ζ}}_j+v{\mathrm{\η}}_j)\right]$

$+2\underset{i,j=1,i\≠j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+v{\mathrm{\η}}_i\right]\·\sin \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_j+{\mathrm{v\η}}_j)\right]$

$=n^2+\underset{i,j=1,i\≠j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i+{\mathrm{u\ζ}}_j+{\mathrm{v\η}}_j\right]$

$+\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i-{\mathrm{u\ζ}}_j-{\mathrm{v\η}}_j)\right]$

$+\underset{i,j=1,i\≠j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i-{\mathrm{u\ζ}}_j-{\mathrm{v\η}}_j\right]$

$-\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i+{\mathrm{u\ζ}}_j+{\mathrm{v\η}}_j)\right]$

$=n^2+{\mathrm{\Σ}}_{i,j=1,i\≠j}^n\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i-{\mathrm{u\ζ}}_j-{\mathrm{v\η}}_j\right]---\left(13\right)$

因为散射片的相位是随机分布的，所以

$\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n\right[\exp (-i2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_j))]{|}^2=n^2+{\mathrm{\Σ}}_{i,j=1,i\≠j}^n\cos [2\mathrm{\π}({\mathrm{u\ζ}}_i+{\mathrm{v\η}}_i-$

${\mathrm{u\ζ}}_j-{\mathrm{v\η}}_j]=n---\left(14\right)$

把式(14)代入式(11)得：

$I_0\∝{\lim }_{u=\frac{x}{\mathrm{\λf}}\→0,v=\frac{y}{\mathrm{\λf}}\→0}\left\{n\frac{J_1\left(2\mathrm{\πa\ρ}\right)}{\mathrm{\ρ}}\right\}=0---\left(15\right)$

故中心的光强为零，即原衍射光学元件的零级衍射被完全消除。

下面是利用散射片消除用于产生四极照明模式的衍射光学元件的零级衍射的演示实验，实现步骤如下：

①把对应的衰减片2、光阑3、扩束镜组4、衍射光学元件5固定在相应的位置，与激光器1激光束出口等高同轴；

②启动激光器1；

③调整光阑3的大小和扩束镜组4的位置，使输出光束水平，光斑为均匀圆形，光斑直径不大于之后的衍射光学元件直径；

④在光路中加入傅里叶变换透镜7，调节CCD图像传感器8的高度和位置，使之处于傅里叶变换透镜6的后焦面处；

⑤打开CCD图像传感器控制软件，降温后，利用CCD图像传感器图像软件观察，可以看到清晰的带有强衍射零级的四极图样；

⑥微调CCD图像传感器的位置，使图像位于视屏中央；

⑦在衍射光学元件之后加入设计的散射片6，若入射到散射片的光斑过大，可再在散射片之前再加一孔径光阑，调节散射片的高度使光束入射到其中心，调整散射片位置，直至出现清晰的衍射像，发现衍射零级被消除，呈现与理想四极图案一致的图样。

请参阅图3、4、5、6。图3是理想衍射光学元件产生的远场四极图样。图4中401为衍射光学元件的位相分布，402为含加工误差的衍射光学元件的远场衍射图样。为了更加清晰这个远场衍射图样中心的零级衍射光斑，403是402图放大后的结果。图5中设计了一种散射片，501为所述的两台阶散射片的位相分布图，502为散射片的远场衍射图样。图6为将散射片按图1置于衍射光学元件后半焦距处时所得到的远场衍射图像。结论是散射片消除了含加工误差的衍射光学元件的零级衍射光斑。

当然，所述的散射片6也存在加工工艺误差。为了研究所述的散射片6的加工工艺误差对远场衍射图样的影响，分别对无加工误差、存在5%的刻蚀深度误差和存在40%的刻蚀深度误差的散射片6进行仿真，仿真得到的四极照明远场衍射图样分别列在图7中的701、702和703中。从仿真结果可以看出，当所述的散射片6存在40%的刻蚀深度误差时，远场图样的散斑噪声会明显加大；而当所述的散射片6仅存在5%的刻蚀深度误差时，远场图样的散斑噪声的变化可以忽略。目前散射片的加工工艺能够满足<5%的刻蚀深度误差。因此，实际加工的散射片不会明显增加远场衍射图样的散斑噪声，可以实际用于消除了含加工误差的衍射光学元件的零级衍射光斑。

Claims (1)

1.一种消除衍射光学元件零级衍射光斑的方法，其特征在于，在衍射光学元件的后面放置一块表面垂直于光束传输方向的散射片，在该散射片的后面放置傅里叶变换透镜，所述的散射片输出的半孔径角与所述衍射光学元件输出的半孔径角相同，使菲涅耳衍射传输到散射片的前表面后经傅里叶变换透镜得到无零级衍射光斑的衍射花样。