CN103744140A - 用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜 - Google Patents

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蔡燕民
王向朝
黄惠杰
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Abstract

一种用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，由光轴方向相互垂直的两块直角三棱镜制作，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触，特点在于第一块直角三棱镜选用石英晶体，第二块直角三棱镜选用氟化镁晶体，本发明与由一种材料构成的传统沃拉斯顿棱镜相比，有效地增大光束分离角，尤其在棱镜切割角大于50度时，光束分离角增大得更为显著，可以为光刻机偏振照明系统的设计提供相当大的便利，有利于整体结构尺寸的紧凑化。

Description

用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜
技术领域
本发明涉及沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，特别是一种用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜。
背景技术
沃拉斯顿棱镜是一种重要的双折射型偏振器，它是利用晶体的双折射特性将一束入射光分开成两束振动方向相互垂直的线偏振光，它是由同一材料但光轴方向相互垂直的两块三棱镜制作而成。其原理是（参见《偏振光学》，廖延彪著，第190-191页，科学出版社，2003）：
如图1所示，正入射的平行光束在第一块棱镜内，垂直于光轴传播，o光和e光以不同的相速度向同一方向传播，进入第二块棱镜时，因光轴旋转了90度，第一块棱镜中的o光在第二块棱镜中变成e光，如果是负单轴晶体，因为ne<no，所以远离界面法线偏折，而第一块棱镜的e光，则变成o光，所以靠近法线偏折。这两束线偏振光在穿出棱镜时，再偏折一次，这样，它们便分开一个角度，称为光束分离角，此角度大小与棱镜的材料及切割角度有关，对于负晶体近似地为：
Figure BDA0000435837320000011
其中，
Figure BDA0000435837320000012
为光束分离角，θ为棱镜切割角，ne为e光折射率，no为o光折射率。沃拉斯顿棱镜材料采用方解石晶体时，光束分离角一般为10～40°，一般输出振动方向正交的两束线偏振光。
在半导体光刻技术领域，氟化氩（ArF）浸液光刻技术得到偏振照明技术、双图形及多图形技术的支持，依然是22nm节点量产强有力的竞争者之一。目前ASML公司的TWINSCAN XT:1450H光刻机（NA=0.93）采用传统技术可以实现65nm节点技术，而采用偏振照明技术就可以将分辨率提高到57nm。这些光刻技术采用的光源波长都是193nm，其中的偏振器件不能采用方解石晶体（因为在193nm波长方解石晶体不透明），而在193nm波长的透明材料仅有几种，氟化钙晶体是立方晶系，目前仅有石英晶体和氟化镁晶体有一定的双折射效应。
制作工作于深紫外波长193nm的偏振器件，如果根据传统技术由同一材料（如氟化镁晶体）的两块三棱镜制作成的沃拉斯顿棱镜，那么其光束分离角仅有约1～2度。光束分离角比较小，即两束线偏振光比较靠近，这样势必增加系统的结构长度，不利于整体装置的紧凑化设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，选用石英晶体和氟化镁晶体可以制作工作于深紫外波长193nm的沃拉斯顿棱镜型起偏器和检偏器，其光束分离角比由同一材料制作沃拉斯顿棱镜的光束分离角有一定程度的提升。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，由光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，第一块直角三棱镜选用石英晶体，第二块直角三棱镜选用氟化镁晶体，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触。
一束入射到所述由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜的光，在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光（o光）和第二偏振光（e光），进入第二块直角三棱镜时，因光轴旋转了90度，第一块直角三棱镜中的o光在进入第二块直角三棱镜中变成e光，因为氟化镁晶体e光折射率小于石英晶体o光折射率，所以远离界面法线偏折。而在第一块直角三棱镜中的e光，在进入第二块直角三棱镜中则变成o光，因为氟化镁晶体o光折射率也小于石英晶体e光折射率，所以也远离界面法线偏折。这两束线偏振光在穿出第二块直角三棱镜时再偏折一次，这样，它们便分开一个角度，称为光束分离角，此角度大小与棱镜的材料及切割角度有关，本发明的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜的光束分离角和切割角的准确解析关系式如<2>式所示：
Figure BDA0000435837320000021
其中，为光束分离角，θ为棱镜切割角，no,sio2为石英晶体o光折射率，ne,sio2为石英晶体e光折射率，no,mgf2为氟化镁晶体o光折射率，ne,mgf2氟化镁晶体e光折射率。
本发明具有以下的优点和积极效果：
1、本发明用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，与传统的由一种材料构成的沃拉斯顿棱镜相比，可以有效地增大光束分离角，尤其在棱镜切割角大于50度时，光束分离角增大得更为显著；
2、本发明用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，可以为光刻机的偏振照明系统的设计提供相当大的便利，有利于结构尺寸的紧凑化。
附图说明
图1为在先技术的普通沃拉斯顿棱镜的原理示意图；
图2为本发明用于193nm波长的由石英晶体和氟化镁晶体构成的沃拉斯顿棱镜与普通的由氟化镁晶体构成的沃拉斯顿棱镜，在193nm波长下光束分离角的比较；
图3为本发明用于193nm波长的的由石英晶体和氟化镁晶体构成的沃拉斯顿棱镜与普通的由石英晶体构成的沃拉斯顿棱镜，在193nm波长下光束分离角的比较；
图4为本发明的由石英晶体和氟化镁晶体构成的沃拉斯顿棱镜，在193nm波长下切割角为58度时的光路图。
具体实施方式
以下将对本发明用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜做进一步的详细描述。
背景技术中公式<1>表示的是沃拉斯顿棱镜的光束分离角和切割角的关系，它是在负单轴晶体情况下的近似公式，当切割角增大时，误差将增大。
本发明用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿（Wollaston）棱镜，由光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜制作，第一块直角三棱镜选用石英晶体，第二块直角三棱镜选用氟化镁晶体，两块直角三棱镜的切割角相同，两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触。
一束入射到所述由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜的光，在第一块直角三棱镜内分解为传播方向相同的第一偏振光（o光）和第二偏振光（e光），进入第二块直角三棱镜时，因光轴旋转了90度，第一块直角三棱镜中的o光在进入第二块直角三棱镜中变成e光，因为氟化镁晶体e光折射率小于石英晶体o光折射率，所以远离界面法线偏折。而在第一块直角三棱镜中的e光，在进入第二块直角三棱镜中则变成o光，因为氟化镁晶体o光折射率也小于石英晶体e光折射率，所以也远离界面法线偏折。这两束线偏振光在穿出第二块直角三棱镜时再偏折一次，这样，它们便分开一个角度，称为光束分离角，此角度的大小与棱镜的材料及切割角度有关，本发明用于193nm波长的的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜的光束分离角和切割角的准确解析关系式如<2>式所示：
其中，
Figure BDA0000435837320000042
为光束分离角，θ为棱镜切割角，no,sio2为石英晶体o光折射率，ne,sio2为石英晶体e光折射率，no,mgf2为氟化镁晶体o光折射率，ne,mgf2氟化镁晶体e光折射率。
氟化镁晶体在193nm波长下的折射率为no,mgf2=1.42767，ne,mgf2=1.44127，石英晶体在193nm波长下的折射率为no,sio2=1.66091，ne,sio2=1.67455。
石英晶体和氟化镁晶体都是正单轴晶体，对于用石英晶体（或者氟化镁晶体）制作的沃拉斯顿棱镜，其光束分离角和切割角的准确解析关系式如<3>式所示：
Figure BDA0000435837320000043
其中，
Figure BDA0000435837320000044
为光束分离角，θ为棱镜切割角，ne为石英晶体（或者氟化镁晶体）e光折射率，no为石英晶体（或者氟化镁晶体）o光折射率。
根据公式<2>计算“用于193nm波长的由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角，根据公式<3>计算“由氟化镁晶体一种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角，可以得到图2，其中纵轴表示光束分离角，横轴表示棱镜切割角，实线表示“由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角，虚线表示“由氟化镁晶体一种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角。从图2中显然看出，在同一棱镜切割角情况下，“由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角大于“由氟化镁晶体一种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角。
同样道理，比较“由石英晶体一种材料构成的沃拉斯顿棱镜”和“由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角，可以得到图3，显然看出，在同一棱镜切割角情况下，“用于193nm波长的由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角大于“由石英晶体一种材料构成的沃拉斯顿棱镜”的光束分离角。
以几个不同的棱镜切割角度作为具体例子，计算光束分离角如下表所示。
Figure BDA0000435837320000051
本发明用于193nm波长的由石英晶体和氟化镁晶体两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，以设计棱镜切割角58度为例，那么两束线偏振光的分离角为9.7356度，如图4所示，从该沃拉斯顿棱镜的左表面入射一束光，将从右表面得到两束线偏振光，其夹角比用单一材料构成的沃拉斯顿棱镜，在切割角大于50度的情况下有显著的提高。
以上包括图表所描述的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的保护范围。任何对本发明的结构做本技术领域内熟知步骤的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤做本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (1)

1.一种用于193nm波长的由两种材料构成的沃拉斯顿棱镜，包括光轴方向相互垂直的第一块直角三棱镜和第二块直角三棱镜，所述两块直角三棱镜的切割角相同，所述两块直角三棱镜通过斜边直接光学接触，其特征在于，所述第一块直角三棱镜选用石英晶体，所述的第二块直角三棱镜选用氟化镁晶体。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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