CN108415171A - 一种光学准直扩束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学准直扩束系统，解决了高NA光刻技术中激光光束在不同传输距离时，光束口径和发散角不能满足使用需求的问题。所述光学准直扩束系统由两块球面镜和四块柱面镜组成，其中两块柱面镜光焦度为y方向，另外两块柱面镜光焦度为x方向，单片球面镜与不同光焦度方向柱面镜组成一组准直扩束器，该系统共两组准直扩束器，第一组准直扩束器先对激光光束进行扩束，然后使激光在5米～20米范围内传输，再用第二组准直扩束器对激光光束进行准直，保证x方向光束和y方向光束均能口径和发散角要求。该光学准直扩束系统结构简单，易于加工装调，在不同传输距离时无动件，易于机械控制。

Description

一种光学准直扩束系统
技术领域
本发明涉及一种光学准直扩束系统，属于光刻照明技术领域。
背景技术
光学投影曝光技术自1978年诞生以来，先后经历了g线、i线、248nm、193nm等几个技术发展阶段。从出现至今的短短几十年的时间里，受到社会信息化进程的强烈牵引，与光学投影曝光技术相关的集成电路先后经历了小规模、超大规模直至极大规模等几个发展阶段，极大规模集成电路已经成为高技术领域发展的基石，从卫星、火箭等航空航天领域，到雷达、激光制导导弹国防领域，以及人们日常生活的各个领域都离不开极大规模集成电路，它不仅是主要的信息处理器件，同时也发展成为信息存储的重要载体之一。把越来越多的晶体管电路元件集成在硅片上，一直是国际微电子工业界不懈追求的目标。因此，减小集成电路最小线宽尺寸是提高存储能力的重要手段。在加工制造集成电路的设备很多，光刻机是目前技术最成熟的设备。光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现照明模式。随着半导体工业和纳米技术的发展，对新一代具有纳米级超精密图形分辨力的光刻技术的需求显得更加迫切。实践证明，在发展短波长和高数值孔径的同时，采用诸如离轴照明、移相掩模、光学邻近效应校正、光瞳滤波等分辨力增强技术，将上述几种技术有机地结合起来，对于延伸现有光学光刻技术分辨力，延缓下一代光刻技术的成熟将起到重要的作用。
然而用于光刻的激光器出射光束口径通常只有十几毫米，该口径不能满足光刻照明需用宽光束的要求，使用时需对激光器发射光束进行扩束，同时，由激光器发射的光束激光发散角达到4毫弧度甚至更高，因激光传输距离最大为20米，因此使用时需要对该发散角进行抑制，即准直，发散角越小即准直程度越高，激光准直扩束系统的作用就是激光光束扩束成宽阔的准直光束，保证投射到衍射元件上的光束满足口径和发散角指标要求。
在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所申请的专利200910217314.6中，介绍了通过改变透镜间隔来保证准直扩束系统因环境温度变化而引起的扩束倍率和发散角的变化。中科院上海技术物理研究所申请的专利200810203386.0一文中提到利用变倍原理实现激光光束的连续变倍扩束。以上技术仅适用于出射激光光束x方向通光口径等于y方向通光口径、x方向发散角等于y方向发散角的情况，存在动镜，且以上技术不能在激光传输距离改变时保证最终目标光束通光口径和发散角满足使用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种光学准直扩束系统，解决高NA光刻技术中光束在不同传输距离的情况下光束口径和发散角仍能满足使用要求。所述光学准直扩束系统由两块球面镜和四块柱面镜组成，其中两块柱面镜光焦度为y方向，另外两块柱面镜光焦度为x方向，单片球面镜与不同光焦度方向柱面镜组成一组准直扩束器，该系统共两组准直扩束器，第一组准直扩束器先对激光光束进行扩束，然后使激光在5米～20米范围内传输，再用第二组准直扩束器对激光光束进行准直，保证x方向光束和y方向光束均能满足口径和发散角要求。该光学准直扩束系统结构简单，易于加工装调，在不同传输距离时无动件，易于机械控制，该系统对提升整个高均匀性照明以及整个光刻曝光光学系统性能都起着至关重要的作用。
本发明采用的技术方案为：一种光学准直扩束系统，所述的光学准直扩束系统由球面镜2、第一柱面镜3和第二柱面镜4、第二球面镜5、第三柱面镜6和第四柱面镜7构成。第一球面镜2与第一柱面镜3和第二柱面镜4组成第一组准直扩束器，对激光器1发射的激光光束进行扩束；再进行激光传输，激光传输距离范围为5米～20米，第二球面镜5与第三柱面镜6和第四柱面镜7组成第二组准直扩束器，对传输的激光光束进行准直，保障光束口径和发散角满足使用需求，最终将满足指标要求的光束投射到衍射元件8上。
其中，第一球面镜2光焦度为负，第二球面镜5光焦度为正，第一柱面镜3和第二柱面镜4光焦度为正，第三柱面镜6和第四柱面镜7光焦度为负。
其中，该激光传输距离d45变化范围为5米～20米。
其中，光学准直扩束系统在不同传输距离时无动件，易于机械控制。
其中，激光器输入波长193纳米。
激光器输入参数如下(mm指毫米，mrad指毫弧度)：
●y方向光束尺寸15.4mm，y方向光束发散角4.3mrad
●x方向光束尺寸14.6mm，x方向光束发散角1.6mrad
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单，利用两块球面镜与四块柱面镜巧妙组合，形成两组准直扩束器，一组准直扩束器先对激光光束进行扩束，再时行激光传输，最后用一组准直扩束器对传输后的激光光束进行准直，保证出射光束x方向和y方向光束口径和发散角满足口径和发散角要求。
2、动态调节范围大，激光传输距离可调节范围为5米～20米，为光刻光束质量检测、光束位置稳定、光束剂量探测等提供了充足的空间保证。
3、机械控制简单，整个光路中无动件，更能保证高精度使用需求。
附图说明
图1为光学准直扩束系统原理示意图；
图2为第一组准直扩束器示意图；
图3为第二组准直扩束器示意图；
标号说明：1-激光器、2-第一球面镜、3-第一柱面镜、4-第二柱面镜、5-第二球面镜、6-第三柱面镜、7-第四柱面镜、8-衍射元件、d12-激光器1与第一球面镜2的间距、d23-第一球面镜2与第一柱面镜3之间的间距、d24-第一球面镜2与第二柱面镜4之间的间距、d45-第二柱面镜4与第二球面镜5之间的间距(即激光传输距离)、d56-第二球面镜5与第三柱面镜6之间的间距、d57-第二球面镜5与第四柱面镜7之间的间距、d78-第四柱面镜7与衍射元件8之间的间距。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为光学准直扩束系统原理示意图，光学准直扩束系统由第一球面镜2、第一柱面镜3和第二柱面镜4、第二球面镜5、第三柱面镜6和第四柱面镜7构成。第一球面镜2与第一柱面镜3和第二柱面镜4组成一组准直扩束器，对激光器1发射的激光光束进行扩束；再进行激光传输，第二球面镜5与第三柱面镜6和第四柱面镜7组成一组准直扩束器，对传输的激光光束进行准直，保障光束口径和发散角满足使用需求，最终将满足指标要求的光束投射到衍射元件8上。
入射激光器1的波长为193nm，其参数如下：
●y方向光束尺寸15.4mm，y方向光束发散角4.3mrad
●x方向光束尺寸14.6mm，x方向光束发散角1.6mrad
要求输出光束参数如下：
●激光传输距离在5米～20米范围内可调
●y方向光束尺寸26mm～30mm，y方向光束发散角<4mrad
●x方向光束尺寸26mm～30mm，x方向光束发散角<4mrad
由于激光器1在水平和垂直方向上光束发散角有较大差异，而激光传输光路最长达20m，垂直方向激光最大发散角达到4.3mrad，若不对出射的激光束进行准直，则激光传输20m后，激光光斑尺寸将达到100mm以上，这对后续的系统设计都是不利的，因而必须首先对激光器出射光束进行发散角压缩，然后再传输。
根据激光器本身的输入光束特性，光束尺寸在y方向和x方向的光束尺寸分别为15.4mm和14.6mm，y方向光束发散角比x方向发散角大2.7mrad，因此投射到第一球面镜2上激光光束y方向光束口径比x方向光束大，如图1所示，激光器1发射的激光光束传输d12距离后，投射到第一球面镜2上，第一球面镜2在x方向和y方向均具有光焦度，对激光光束x方向和y方向光束特性均会做出改变，由于第一球面镜2光焦度为负，对光线起发散作用，因此经过第一球面镜2后激光光束x方向和y方向发散角均变大。柱面镜只具有x方向或者y方向上的光焦度，只对光束的光焦度方向光束特性起作用。第一柱面镜3的光焦度方向为x方向，只改变光束x方向的光束特性，对光束y方向光束特性不作任何改变。第二柱面镜4的光焦度方向为y方向，只改变光束y方向的光束特性，对光束x方向光束特性不作任何改变。如图2所示，第一柱面镜3和第二柱面镜4与第一球面镜2组成第一组准直扩束器，对激光光束进行扩束，第一柱面镜3与第一球面镜2组成的准直扩束器倍率为3.7倍，即x方向光束口径扩束3.7倍，x方向光束发散角压缩3.7倍。第二柱面镜4与第一球面镜2组成的准直扩束器倍率为5.2倍，即y方向光束口径扩束5.2倍，y方向光束发散角压缩5.2倍。
激光器1发出激光光束经第一组准直扩束器扩束，进行激光传输，如图1所示，d45表示第二柱面镜4与第二球面镜5之间的间距，即激光传输距离。根据高NA曝光需求，激光传输距离d45需在5米～20米范围内传输。
图3为第二组准直扩束器示意图，由第三柱面镜6和第四柱面镜7与第二球面镜5组成。第二球面镜5的光焦度为正，对光线起会聚作用，因此经过第二球面镜5后激光光束x方向和y方向发散角均变小。第三柱面镜6的光焦度为x方向，只改变光束x方向的光束特性，对光束y方向光束特性不作任何改变。第四柱面镜7的光焦度为y方向，只改变光束y方向的光束特性，对光束x方向光束特性不作任何改变。如图2所示，第二球面镜5与第三柱面镜6组成的准直扩束器倍率为0.44倍，即x方向光束口径压缩0.44倍，x方向光束发散角扩大0.44倍。第二球面镜5与第四柱面镜7组成的准直扩束器倍率为0.25倍，即x方向光束口径压缩0.25倍，x方向光束发散角扩大0.25倍。
d78表示第四柱面镜7与衍射元件8之间的间距，因光路上还需要安装别的检测元件，因此d78大小取1.3米，保证机械结构安装空间需求。经过第二组准直扩束器作用后的激光光束传输d78距离后，投射到衍射元件上。
表1为光学准直扩束系统高斯计算数据，该数据是基于激光传输距离d45为5米设计的，表1给出激光器入射参数、激光器1输出端到第一球面镜2距离、1级扩束前光束尺寸和发散角参数、1级柱面扩束倍率参数、1级柱面扩束后光束尺寸和发散角参数、激光传输距离d45、传输后光束尺寸和发散角参数、2级柱面缩束倍率参数、2级柱面缩束后光束尺寸和发散角参数、传输距离d78、入射到衍射元件上的目标光束尺寸和发散角参数。从表1可以看出，当激光传输距离d45为5米时最终投射到衍射元件8上的光束参数如下：
x方向光束尺寸为26.519mm，发散角为0.983mrad，
y方向光束尺寸为26.472mm，发散角为3.308mrad，
满足设计指标要求，具体数据如表1所示。
表1激光传输距离5米时高斯计算数据
表2为光学准直扩束系统高斯计算数据，该数据是基于激光传输距离d45为12.5米设计的，表2给出激光器入射参数、激光器1输出端到第一球面镜2距离、1级扩束前光束尺寸和发散角参数、1级柱面扩束倍率参数、1级柱面扩束后光束尺寸和发散角参数、激光传输距离d45、传输后光束尺寸和发散角参数、2级柱面缩束倍率参数、2级柱面缩束后光束尺寸和发散角参数、传输距离d78、入射到衍射元件上的目标光束尺寸和发散角参数。从表2可以看出，当激光传输距离d45为12.5米时最终投射到衍射元件8上的光束参数如下：
x方向光束尺寸为27.946mm，发散角为0.983mrad，
y方向光束尺寸为28.022mm，发散角为3.308mrad，
满足设计指标要求，具体数据如表2所示。
表2激光传输距离12.5米时高斯计算数据
表3为光学准直扩束系统高斯计算数据，该数据是基于激光传输距离d45为20米设计的，表3给出激光器入射参数、激光器1输出端到第一球面镜2距离、1级扩束前光束尺寸和发散角参数、1级柱面扩束倍率参数、1级柱面扩束后光束尺寸和发散角参数、激光传输距离d45、传输后光束尺寸和发散角参数、2级柱面缩束倍率参数、2级柱面缩束后光束尺寸和发散角参数、传输距离d78、入射到衍射元件上的目标光束尺寸和发散角参数。从表3可以看出，当激光传输距离d45为20米时最终投射到衍射元件8上的光束参数如下：
x方向光束尺寸为27.373mm，发散角为0.983mrad，
y方向光束尺寸为29.573mm，发散角为3.308mrad，
满足设计指标要求，具体数据如表3所示。
表3激光传输距离20米时高斯计算数据
从表1、表2、表3光学准直扩束系统高斯计算结果来看，当激光传输距离d45在5米～20米范围内传输时，入射到衍射元件9上的激光光束尺寸和发散角均能满足指标要求，具备工程实用性。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，对于实施例中第一组准直扩束器x向扩束倍率和y向扩束倍率，以及第二组准直扩束器x向缩束倍率和y向缩束倍率，与激光器的输入参数和要求输出激光参数有关，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (4)

1.一种光学准直扩束系统，其特征在于：所述的光学准直扩束系统由第一球面镜(2)、第一柱面镜(3)和第二柱面镜(4)、第二球面镜(5)、第三柱面镜(6)和第四柱面镜(7)构成；第一球面镜(2)与第一柱面镜(3)和第二柱面镜(4)组成第一组准直扩束器，对激光器(1)发射的激光光束进行扩束；再进行激光传输，第二球面镜(5)与第三柱面镜(6)和第四柱面镜(7)组成第二组准直扩束器，对传输的激光光束进行准直，保障光束口径和发散角满足使用需求，最终投射到衍射元件(8)上。
2.根据权利要求1所述的光学准直扩束系统，其特征在于：第一球面镜(2)光焦度为负，第二球面镜(5)光焦度为正，第一柱面镜(3)和第二柱面镜(4)光焦度为正，第三柱面镜(6)和第四柱面镜(7)光焦度为负。
3.根据权利要求1所述的光学准直扩束系统，其特征在于：激光传输距离d45可调节范围为5米～20米。
4.根据权利要求1所述的光学准直扩束系统，其特征在于：该光学准直扩束系统使用激光器(1)波长为193纳米，输入参数如下(mm指毫米，mrad指毫弧度)：
●y方向光束尺寸15.4mm，y方向光束发散角4.3mrad；
●x方向光束尺寸14.6mm，x方向光束发散角1.6mrad。
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