CN103869625B - 偏振照明装置及偏振照明方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振照明装置及照明方法，该装置包括沿光轴方向依次设置的光路传输单元、偏振控制单元以及光束整形单元，偏振控制单元能够将来自光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将同种偏振光汇集后传输至光束整形单元，光束整形单元将来自偏振控制单元的光束宽度调整为与偏振控制单元的入射光束宽度一致，通过采用偏振控制单元能够将来自光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将同种偏振光汇集后传输至光束整形单元，从而可利用来自光路传输单元的光束中的两种偏振光，有效防止光能的损失，光束整形单元将来自偏振控制单元的光束宽度调整为与偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束，以便后续利用。

Description

偏振照明装置及偏振照明方法

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种偏振照明装置及偏振照明方法。

背景技术

随着半导体集成电路集成度的提高，对光刻分辨率的要求越来越高。为了得到更高的光刻分辨率，人们不断降低曝光波长，提高投影物镜的数值孔径，并且采用离轴照明、相移掩模等多种技术降低工艺因子(简称K1)。随着光刻设备采用浸液技术，物镜数值孔径（简称NA）被带入大于1时代。在物镜数值孔径大于1的情况下，出现了偏振照明分辨率增强技术。该技术通过使用特定的偏振照明方式来获取较好的分辨率与工艺窗口。

目前偏振照明方式一般采用在光刻机照明系统中直接加入一个偏振分光棱镜来实现，利用偏振分光棱镜的分光特性来获取切向或径向偏振照明方式。但该方法存在损失较大光能的缺点。

因此，如何提供一种可以降低光能损失的偏振照明装置及偏振照明方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振照明装置及偏振照明方法，能够降低光能损失。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种偏振照明装置，包括沿光轴方向依次设置的光路传输单元、偏振控制单元以及光束整形单元，所述偏振控制单元能够将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致。

优选的，所述偏振控制单元包括第一圆锥形偏振棱镜、第二偏振棱镜以及用于改变光束偏振方向的环形旋光晶体，所述第二偏振棱镜内部具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第一圆锥形偏振棱镜、圆台孔以及环形旋光晶体三者的轴心线与所述光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜的底面和圆台孔的底面位于同一平面内，第一圆锥形偏振棱镜的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜的底部直径大于或者等于所述圆台孔的顶部直径且小于所述圆台孔的底部直径，所述环形旋光晶体位于所述圆台孔的底部下方。

优选的，所述环形旋光晶体的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜的底部直径，所述环形旋光晶体的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

优选的，所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面、所述第二偏振棱镜的孔壁与所述光轴的夹角均为45度。

优选的，所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，来自光路传输单元的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面以及所述第二偏振棱镜的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元将所述另一S偏振光折向所述光轴。

优选的，所述光束整形单元包括第一透镜和第二透镜，由所述偏振控制单元射出的光束经过所述第一透镜与所述第二透镜后使得所述光束的宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致。

优选的，在上述的偏振照明装置中，还包括匀光单元和聚焦镜组单元。

本发明还公开了一种偏振照明方法，包括如下步骤：

步骤1，光路传输单元将光束输入至偏振控制单元；

步骤2，所述偏振控制单元将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光后汇集后传输至光束整形单元；

步骤3，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束。

优选的，在上述的偏振照明方法中，还包括步骤4，所述宽度一致的光束先经匀光单元进行匀光处理后再传输至聚焦镜组单元，所述聚焦镜组单元将接收的光束在所需的位置形成大小满足要求的照明视场。

优选的，所述偏振控制单元包括第一圆锥形偏振棱镜、第二偏振棱镜以及用于改变光束偏振方向的环形旋光晶体，所述第二偏振棱镜内部具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第一圆锥形偏振棱镜、圆台孔以及环形旋光晶体三者的轴心线与所述光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜的底面和圆台孔的底面位于同一平面内，第一圆锥形偏振棱镜的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜的底部直径大于或者等于所述圆台孔的顶部直径且小于所述圆台孔的底部直径，所述环形环形旋光晶体位于所述圆台孔的底部下方。

优选的，所述环形旋光晶体的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜的底部直径，所述环形旋光晶体的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

优选的，所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面、所述第二偏振棱镜的孔壁与所述光轴的夹角均为45度。

优选的，所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，来自光路传输单元的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面以及所述第二偏振棱镜的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元将所述另一S偏振光折向所述光轴。

优选的，所述光束整形单元包括第一透镜和第二透镜，由所述偏振控制单元射出的光束经过所述第一透镜与所述第二透镜后使得所述光束的宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束。

本发明提供的偏振照明装置及偏振照明方法，改变以往由于只在照明系统中加入一个偏振分光棱镜，因而只能利用一种偏振光，浪费另一种偏振光的情况，本发明通过采用偏振控制单元能够将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元，从而可以利用来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光，有效防止光能的损失，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束，以便后续利用。

附图说明

本发明的偏振照明装置及偏振照明方法由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明的一实施例的偏振照明装置的结构示意图。

图2为本发明的一实施例中的偏振控制单元的结构示意图。

图3为本发明的一实施例中的偏振照明装置的偏振光路线路示意图。

图4为本发明的一实施例中的光束整形单元的结构示意图。

图5为采用本发明的一实施例中的偏振照明装置的切向偏振照明光路示意图。

图中，101-光路传输单元，102-偏振控制单元、201-第一圆锥形偏振棱镜、202-第二偏振棱镜、203-环形旋光晶体、103-光束整形单元、301-第一透镜、302-第二透镜、104-匀光单元、105-聚焦镜组单元、106-掩模面

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图1，图1所示为本发明的一实施例的偏振照明装置的结构示意图。

这种偏振照明装置，包括沿光轴方向依次设置的光路传输单元101、偏振控制单元102以及光束整形单元103，所述偏振控制单元102能够将来自所述光路传输单元101的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元103，所述光束整形单元103将来自所述偏振控制单元102的光束宽度调整为与所述偏振控制单元102的入射光束宽度一致的光束。本发明通过采用偏振控制单元102能够将来自所述光路传输单元101的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元103，从而可以利用来自所述光路传输单元101的光束中的两种偏振光，有效防止光能的损失，所述光束整形单元103将来自所述偏振控制单元102的光束宽度调整为与所述偏振控制单元102的入射光束宽度一致的光束，以便后续利用。

请参阅图2，图2所示为本发明的一实施例中的偏振控制单元的结构示意图。优选的，所述偏振控制单元102包括第一圆锥形偏振棱镜201、第二偏振棱镜202以及用于改变照明光束偏振方向的环形旋光晶体203，所述第一圆锥形偏振棱镜201具有一作为折反射面的外锥面，所述第二偏振棱镜202整体呈圆柱型，所述第二偏振棱镜202具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第二偏振棱镜202的孔壁即圆台孔的内斜面作为折反射面，所述第一圆锥形偏振棱镜201、圆台孔以及环形旋光晶体203三者的轴心线与所述光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜201位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜201的底面和所述圆台孔的底面位于同一平面内，所述环形旋光晶体203位于所述第二偏振棱镜202的圆台孔底部下方。所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，所述第一圆锥形偏振棱镜201与所述第二偏振棱镜202的透射光均是S偏振光，反射光均是P偏振光。第一圆锥形偏振棱镜201的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径小于圆台孔的底部直径。同时，第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径可以小于、大于或者等于圆台孔的顶部直径，但是当大于或者等于圆台孔的顶部直径的方式时效果最优。

请参阅图3并请结合图2和图1，来自光路传输单元101的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体203的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元101的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面以及所述第二偏振棱镜202的圆台孔的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体203改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元103将所述另一S偏振光折向所述光轴，从而可以进行后续利用，减少了光能的损失。

优选的，所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面与所述第二偏振棱镜202的孔壁与所述光轴的夹角θ均为45度，从而可以简化光路结构。

优选的，所述环形旋光晶体203的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径，所述环形旋光晶体203的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

请参阅图4，图4所示为本发明的一实施例中的光束整形单元的结构示意图。优选的，所述光束整形单元103包括第一透镜301和第二透镜302，由所述偏振控制单元102射出的光束经过所述第一透镜301所述第二透镜302的汇聚后使得所述光束的宽度缩小为与所述偏振控制单元102的入射光束宽度一致的光束，以便产生传统、环形的照明方式。

请参阅图1，本实施例中，所述光路传输单元101主要包括反射镜片(未图示)，用于将扩束的照明光束输入到偏振控制单元102。

请参阅图1，优选的，在上述的偏振照明装置中，还包括匀光单元104和所述聚焦镜组单元105，所述匀光单元104和所述聚焦镜组单元105沿光轴方向依次设置于所述光束整形单元103的后方。优选的，在上述的偏振照明装置中，所述匀光单元104是石英棒或者微透镜阵列。

优选的，在上述的偏振照明装置中，所述聚焦镜组单元105为成像镜组，用以在所需位置形成所需大小的照明视场。

请继续参阅图1至图4，本发明还公开了一种偏振照明方法，可以采用如上所述的偏振照明装置，包括如下步骤：

步骤1，光路传输单元101将光束输入至偏振控制单元102；

步骤2，所述偏振控制单元102将来自所述光路传输单元101的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光后汇集后传输至光束整形单元103；

步骤3，所述光束整形单元103将来自所述偏振控制单元102的光束宽度调整为与所述偏振控制单元102的入射光束宽度一致；

步骤4，此步骤为优选步骤，所述宽度一致的光束先经匀光单元104进行匀光处理后再传输至聚焦镜组单元105，所述聚焦镜组单元105将接收的光束在所需的位置形成大小满足要求的照明视场。

优选的，在上述的偏振照明方法中，所述偏振控制单元102包括第一圆锥形偏振棱镜201、第二偏振棱镜202以及用于改变照明光束偏振方向的环形旋光晶体203，所述第一圆锥形偏振棱镜201具有一外锥面，所述第二偏振棱镜202具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第一圆锥形偏振棱镜201、所述圆台孔以及环形旋光晶体203三者的轴心线与所述光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜201位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜201的底面和所述圆台孔的底面位于同一平面内，所述环形旋光晶体203位于所述第二偏振棱镜202的底部下方。第一圆锥形偏振棱镜201的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径小于圆台孔的底部直径。同时，第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径可以小于、大于或者等于圆台孔的顶部直径，但是当大于或者等于圆台孔的顶部直径的方式时效果最优。

优选的，在上述的偏振照明方法中，所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，来自光路传输单元101的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体203的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元101的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面以及所述第二偏振棱镜202的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体203改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元103将所述另一S偏振光折向所述光轴。

优选的，在上述的偏振照明方法中，所述环形旋光晶体203的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜201的底部直径，所述环形旋光晶体203的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

优选的，在上述的偏振照明方法中，所述第一圆锥形偏振棱镜201的外锥面与所述第二偏振棱镜202的孔壁与所述光轴的夹角均为45度，从而可以简化光路结构。

优选的，在上述的偏振照明方法中，所述光束整形单元103包括第一透镜301和第二透镜302，由所述偏振控制单元102射出的光束经过所述第一透镜301与所述第二透镜302后使得所述光束的宽度调整为与所述偏振控制单元102的入射光束宽度一致的光束。

利用本偏振照明装置及偏振照明方法产生的切向偏振照明光路如图5所示。

综上所述，本发明提供的偏振照明装置及偏振照明方法，改变以往由于只在照明系统中加入一个偏振分光棱镜，因而只能利用一种偏振光，浪费另一种偏振光的情况，本发明通过采用偏振控制单元能够将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元，从而可以利用来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光，有效防止光能的损失，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束，以便后续利用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等

同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种偏振照明装置，其特征在于，包括沿光轴方向依次设置的光路传输单元、偏振控制单元以及光束整形单元，所述偏振控制单元能够将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光汇集后传输至所述光束整形单元，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致；

所述偏振控制单元包括第一圆锥形偏振棱镜、第二偏振棱镜以及用于改变光束偏振方向的环形旋光晶体，所述第二偏振棱镜内部具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第一圆锥形偏振棱镜、圆台孔以及环形旋光晶体三者的轴心线与所述光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜的底面和圆台孔的底面位于同一平面内，第一圆锥形偏振棱镜的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜的底部直径大于或者等于所述圆台孔的顶部直径且小于所述圆台孔的底部直径，所述环形旋光晶体位于所述圆台孔的底部下方。

2.根据权利要求1所述的偏振照明装置，其特征在于，所述环形旋光晶体的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜的底部直径，所述环形旋光晶体的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

3.根据权利要求1所述的偏振照明装置，其特征在于，所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面、所述第二偏振棱镜的孔壁与所述光轴的夹角均为45度。

4.根据权利要求1所述的偏振照明装置，其特征在于，所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，来自光路传输单元的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面以及所述第二偏振棱镜的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元将所述另一S偏振光折向所述光轴。

5.根据权利要求1所述的偏振照明装置，其特征在于，所述光束整形单元包括第一透镜和第二透镜，由所述偏振控制单元射出的光束经过所述第一透镜与所述第二透镜后使得所述光束的宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致。

6.根据权利要求1所述的偏振照明装置，其特征在于，还包括匀光单元和聚焦镜组单元。

7.一种偏振照明方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，光路传输单元将光束输入至偏振控制单元；

步骤2，所述偏振控制单元将来自所述光路传输单元的光束中的两种偏振光变成所需的同种偏振光并将所述同种偏振光后汇集后传输至光束整形单元；

步骤3，所述光束整形单元将来自所述偏振控制单元的光束宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束；

所述偏振控制单元包括第一圆锥形偏振棱镜、第二偏振棱镜以及用于改变光束偏振方向的环形旋光晶体，所述第二偏振棱镜内部具有一纵截面为梯形的圆台孔，所述第一圆锥形偏振棱镜、圆台孔以及环形旋光晶体三者的轴心线与光轴的轴心线重合，所述第一圆锥形偏振棱镜位于所述圆台孔内部，且第一圆锥形偏振棱镜的底面和圆台孔的底面位于同一平面内，第一圆锥形偏振棱镜的高度和圆台孔的高度相等，第一圆锥形偏振棱镜的底部直径大于或者等于所述圆台孔的顶部直径且小于所述圆台孔的底部直径，所述环形旋光晶体位于所述圆台孔的底部下方。

8.根据权利要求7所述的偏振照明方法，其特征在于，还包括步骤4，所述宽度一致的光束先经匀光单元进行匀光处理后再传输至聚焦镜组单元，所述聚焦镜组单元将接收的光束在所需的位置形成大小满足要求的照明视场。

9.根据权利要求7所述的偏振照明方法，其特征在于，所述环形旋光晶体的内径等于所述第一圆锥形偏振棱镜的底部直径，所述环形旋光晶体的外径大于或者等于所述圆台孔的底部直径。

10.根据权利要求7所述的偏振照明方法，其特征在于，所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面、所述第二偏振棱镜的孔壁与所述光轴的夹角均为45度。

11.根据权利要求7所述的偏振照明方法，其特征在于，所述两种偏振光包括S偏振光和P偏振光，来自光路传输单元的光束中的S偏振光经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面透射后穿经所述环形旋光晶体的内孔后沿光轴行进，来自光路传输单元的光束中的P偏振光依次经所述第一圆锥形偏振棱镜的外锥面以及所述第二偏振棱镜的孔壁反射后，经所述环形旋光晶体改变偏振方向后成为另一S偏振光，所述光束整形单元将所述另一S偏振光折向所述光轴。

12.根据权利要求7所述的偏振照明方法，其特征在于，所述光束整形单元包括第一透镜和第二透镜，由所述偏振控制单元射出的光束经过所述第一透镜与所述第二透镜后使得所述光束的宽度调整为与所述偏振控制单元的入射光束宽度一致的光束。