CN110785708B - 光束扩散器系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用以光学扩散光束(L1,L2)的扩散器系统(100)及方法。提供至少两个透射扩散器窗口(11,21)。扩散器窗口(11,21)经设置成依序扩散透射穿过彼等的光束(L1,L2)。扩散器系统(100)经配置为以角速度(ω1,ω2)连续转动扩散器窗口(11,21)，用以均匀化透射光束(L1,L2)的扩散图样。扩散器窗口(11,21)经配置为绕着不同的旋转轴线(C1,C2)旋转。不同旋转轴线(C1,C2)互相平行且以径向中心距离(d12)彼此偏离。第一扩散器窗口(11,21)的转动分区与第二转动扩散器窗口(11,21)的转动分区部分重叠。部分重叠的转动分区限定用以均匀化且扩散透射光束(L1,L2)的光束窗口(W12)。

Description

光束扩散器系统及方法
技术领域和背景
本公开有关于用于扩散光束的光学扩散器系统及方法。
光学扩散器可用来扩散光束，例如用于均匀化例如使用于光刻技术的光学系统中的光线。例如，美国第7,148,952号专利描述一种光刻设备，其包括用以提供辐射投影光束的照明系统。该照明系统包括至少一个活动光学组件，致使辐射投影光束可在中央位置附近偏移。根据先前技术，这确保可抹除投影光束的强度分布的不均匀性，接着这可提供要由系统照明的表面的改良曝光均匀性，例如晶圆或其它基板。该光学组件可包括电动机可移动的反射镜、棱镜、滤镜、透镜、转向镜、扩散器、绕射光学数组，光学积分器等等。
US 2007/0274075 A1描述一种激光照明器，其包括能够修改光学扩散条件的至少一个光学扩散构件、与用于抑制光的发散的至少一个光学抑制构件，其中，该光学扩散构件与该光学抑制构件沿着自激光光源放射出的激光束的光学路径设置，且激光束通过穿经光学扩散构件及光学抑制构件被转换成被扩散而不发散的光束以用于照明或激发物件。
为了充分抹除不均匀性，应以最小的速度移动光学组件。不过，例如透射扩散器的转动组件在旋转中心可能具有比边缘低的速度。因此，扩散器的有效可用表面可能低且对光束的不同部分提供不一致的模糊(smearing)。公知扩散器系统及方法需要进一步改善以缓解这些及其它的问题。
发明内容
在一方面，本公开提供一种用于光学扩散光束的扩散器系统或方法。提供至少两个透射扩散器窗口。该等扩散器窗口经设置成依序扩散透射穿过它们的光束。该扩散器系统经配置为以角速度连续转动该等扩散器窗口，用以均匀化透射光束的扩散图样。有利的是，该等扩散器窗口经配置为绕着不同的旋转轴线旋转。该等不同旋转轴线互相平行且以径向中心距离彼此偏离。因此，该第一扩散器窗口的转动分区与该第二转动扩散器窗口的转动分区部分重叠。藉此，部分重叠的该等转动分区限定光束窗口用以均匀化及扩散该透射光束。
如下文参考附图更详细地解释的，使光束依序透射穿过一对部分重叠的转动扩散器窗口可提供该等扩散器表面的更一致相对运动。例如，在离第一扩散器中心较远且离第二扩散器中心较近的区域处，第一扩散器的表面可相对较快地移动，同时第二扩散器相对较慢地移动。这同样适用于以其它方式小幅修改成离第一扩散器中心较近且离第二扩散器中心较远的情形。第一扩散器的相对快速或缓慢移动表面因此各自可至少部分补偿第二扩散器的的相对缓慢或快速移动表面。因此，在该等扩散器窗口的重叠区可得到更一致的模糊。此外，例如，在扩散器的中心附近的区域可被另一扩散器的移动表面覆盖。因此，可改善有效可用区和/或节省材料。
附图说明
由以下说明、随附权利要求及附图可更加了解本公开的设备、系统及方法以上及其它的特征、方面及优点，其中：
图1A及图1B示意地图标扩散器系统的实施方式的原理；
图2A及图2B示意地比较有转动窗口的扩散器系统与有两个转动窗口的扩散器系统；
图3示意地图标扩散器系统的实施方式的侧面剖视图；
图4示意地图示该实施方式的前视图；
图5的侧视图示意地图标包括扩散器系统的光刻系统的实施方式。
具体实施方式
用来描述特定实施方式的术语并非旨在限制本发明。如本文所使用的，“一(a)”、“一(an)”与“该”的单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文以其它方式清楚表示。用语“和/或”包括列举相关项目中的一个或多个的任何或所有组合。应了解，用语“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”是详述有列出的特征的存在，但不预先排除它有或附加一个或多个其它特征的存在。更应了解，当方法中的特定步骤被称为在另一步骤之后时，它可直接跟随该另一步骤，或在进行该特定步骤之前，可进行一个或多个中间步骤，除非有特定说明。同样，应了解，在描述结构或组件之间的连接时，可直接或通过中间结构或组件来建立此连接，除非有特定说明。
以下参考图示本发明实施方式的附图更完整地描述本发明。附图中，为求清楚，可能夸大系统、组件、层体及区域的绝对及相对大小。实施方式可参考可能被理想化的本发明实施方式及中间结构的示意和/或横截面图来描述。在说明及附图中，类似的组件用相同的组件符号表示。相对用语及其衍生词应被视为指称如随后所述或如论及附图所示的取向。这些相对用语是为了便于描述且并非要求该系统要以特定的取向构造或运作，除非另有说明。
图1A及图1B示意地图标光束扩散器系统100的实施方式的原理。
在实施方式中，该系统有至少两个透射扩散器窗口11、21。扩散器窗口11、21经设置成依序扩散透射光束L1、L2。换言之，该光束在透射穿过第二扩散器窗口12之前先透射穿过第一扩散器窗口11。在实施方式中，扩散器窗口11、21经配置为以角速度ω1、ω2连续转动用以均匀化透射光束L1、L2的扩散图样。如本文所述，扩散器窗口11、21经配置为绕着不同的旋转轴线C1、C2旋转。不同的旋转轴线C1、C2优选互相平行且以径向中心距离d12彼此偏离。以此方式，第一扩散器窗口11的转动分区与第二转动扩散器窗口12的转动分区部分重叠。该等部分重叠转动分区限定用于均匀化和/或扩散透射光束L1、L2的光束窗口W12。
在优选实施方式中，扩散器窗口11、21经配置来以相同或几乎相同的角速度旋转，亦即，ω1＝ω2或例如0.9*ω1<ω2<1.1*ω1。如图1A所示，这可提供表面速度V1及V2的补偿速度分布。在一些实施方式中，可能需要有小差异的角速度，以防该等扩散器在转一圈后到达完全相同的相对位置。例如，该差异致使在转一圈后，扩散器表面与另一扩散器表面互相偏移至少相关距离Lc，例如10微米以上。这可防止照明时出现非所欲的重复图样。尽管角速度ω1、ω2因而优选样或很接近，然而为了实现如本文所述的至少一些补偿作用，这可能不是永远必要的。例如，即使速度不同，扩散器(例如在中心)的较低速度可至少部分由另一扩散器补偿。
在优选实施方式中，扩散器窗口11、21经配置为在相同的角度方向旋转。换言之，两者顺时钟或两者逆时钟(例如，从图标扩散器系统的前视图视之)。通过在相同的方向旋转，相对表面速度V12用V12＝|V1-V2|算出的向量长度可为常数，其中，该等表面在重叠区反向运动。尽管角度方向因而优选是相同的，但为了实现至少一些补偿作用，这可能不是永远必要的。例如，即使该等表面反向旋转(ω1＝-ω2)，然而该等表面皆仍与透射光束相对运动，这可提供至少一些均匀化效果，例如抵消部分相干斑点。
在数个优选实施方式中，该等扩散器窗口的表面因此以在光束窗口W12中不变的相对表面速度V12运动。例如，扩散器窗口11、21各自包括或耦合至致动或旋转构件(在此未图示)。旋转构件在使用时可使扩散器窗口11、21优选以相同角速度和/或相同方向旋转。在其它或进一步的实施方式中，
在数个优选实施方式中，扩散器窗口11、21有相同的直径D1＝D2或半径R1＝R2。这可提供扩散器材料的最有效利用。就典型应用而言，例如光刻，优选扩散器窗口11、21各自有10至200毫米的直径D1、D2，50至100毫米更佳，例如约60或80毫米。扩散器窗口越大，则单位表面积的光束强度越小。较大的扩散器窗口对于给定角速度ω1、ω2也可提供较高的径向或表面速度V1、V2。另一方面，可能需要材料便宜且节省系统空间的较小扩散器窗口。
如图1B所示，光束窗口W12的直径可与扩散器窗口11、21的直径D1、D2成正比，而与径向中心距离d12成反比。例如，可表明为W12＝D-d12，在此D＝D1＝D2。
在径向中心距离d12的较低值，光束窗口W12可较大，但是扩散器窗口11、21的相对表面速度V12较低。当径向中心距离d12小于扩散器窗口11、21的半径R1、R2或直径D1、D2的一半时，该等表面之间的相对表面速度V12可小于在扩散器窗口11、21边缘的最大速度V1、V2，但是由于相对表面速度V12实际上在光束窗口W12中可不变，此恒定相对表面速度V12仍可大于例如各扩散器窗口11、21各在通常没有表面运动的中心点C1、C2的表面速度。应了解，通过提供小于扩散器窗口11、21的半径R1、R2或一半的直径D1、D2的径向中心距离d12，光束窗口W12可相对大，例如大于各扩散器窗口11、21的半径R1、R2或一半的直径D1、D2。例如，对于相对昂贵的扩散器材料，可能需要相对大的光束窗口W12以节省成本。
在径向中心距离d12的较高值，扩散器窗口11、21的相对表面速度V12可较高，但是有较小的光束窗口W12。当径向中心距离d12大于扩散器窗口11、21的半径R1、R2或一半的直径D1、D2时，该等表面之间的相对表面速度V12实际上可大于在扩散器窗口11、21边缘的最大速度V1、V2。因此，原则上可压低扩散器窗口11、21的个别角速度ω1、ω2同时仍可实现所欲扩散。这可能需要例如以降低相对便宜扩散器材料的振动。
通常，拟合光束窗口W12的最大圆有较扩散器窗口11、21的个别直径D1、D2为小的直径，例如在10至90百分比之间，20至80百分比之间为优选，30至70百分比之间更佳。例如，光束窗口W12在10至100毫米之间，在40至60毫米之间更佳，例如，典型(扩张)光束尺寸可具有55毫米直径。较大的光束尺寸每单元表面积有较低的强度但是需要较笨重的光学组件。
图2A及图2B示意地图示使用两个较小窗口(图2B)相较于使用一个较大窗口(图2A)可如何实际节省昂贵的扩散器材料。参考图2A，应注意，在单转动扩散器上的光束窗口W不应重叠中央旋转轴线C，因为为了提供扩散图样的所欲模糊，表面速度V＝ωR在小径向距离R可能太低。参考图2B，应了解，光束窗口W12可能实际重叠中央旋转轴线C1、C2，甚至同时提供更一致的相对表面速度V12。在一些实施方式中，利用小于一个较大窗口的表面(π·R2)的两个较小扩散器窗口的总表面(π·R1 2+π·R2 2)，可节省材料成本。替换地或此外，在相同或较低的角速度，相对表面速度可更一致或甚至相对较高，特别是，在旋转轴线C1、C2之间的径向中心距离增加时。
图3示意地图标扩散器系统100的实施方式的侧面剖视图。
在优选实施方式中，扩散器窗口11、21在平面中旋转，亦即，没有颤动。换言之，扩散器窗口11、21优选设置成彼等的光学表面横向于进入的光束L1、L2。通常，扩散器窗口11、21有限定各扩散器窗口11、21的角度散射的扩散器角度和/或组合散射角度θs，如同所规定的。优选地，组合散射角度θs小于5度的平面角度，优选为小于2度、小于1度、或甚至小于半度，例如在0.1至0.25度之间。例如，为了少浪费光，角度越小越好。
在优选实施方式中，扩散器窗口11、21经设置成彼等的表面以轴向距离Z12互相平行。例如，轴向距离Z12小于100毫米，优选小于50毫米，小于20毫米，或甚至小于10毫米，例如1至5毫米表面至表面的距离。例如，为了减少组合散射效应，越靠近越好。
通常，扩散器窗口11、21有所谓的相关长度Lc，其限定使扩散器窗口11、21的表面相对于横越光束L1、L2移动的最小距离，用以均匀化横越光束L1、L2之中的相干或相关斑点L1S。优选地，该相关长度小于100微米，小于50微米，或甚至小于10微米，例如1至5微米。例如，在需要较少表面移动以减轻或消除相干斑点图样时，相关长度越小越好。
在一些实施方式中，扩散器窗口11、21包括例如在有表面粗糙度或波纹的光学表面出现散射时，用以使透射光束L1、L2扩散的表面结构。又在数个实施方式中，该表面结构决定相关长度Lc。例如，该表面结构为特设表面结构用以提供一致又可预测的相关长度Lc。在其它或进一步的实施方式中，扩散器窗口11、21包括扩散性透射材料，例如，其中，光在横越材料时被散射。又在数个实施方式中，该透射材料决定相关长度Lc。这些及其它散射效应的组合也有可能。
在图示实施方式中，扩散器窗口11、21(在周围边缘)被个别的可转动环(12,22)12、22保持。可转动环(12,22)12、22各自在轴承结构13、23内旋转。应了解，这允许完全利用扩散器窗口表面，例如相较于用中央轴线来保持扩散器，且在径向中心距离d12小于扩散器窗口11、21的半径R1、R2或一半的直径D1、D2时，可具有独特优势。在优选实施方式中，可转动环(12,22)12、22和/或轴承结构13、23设有空气轴承用以平滑和/或低磨擦地旋转。在优选实施方式中，可转动环(12,22)12、22和/或轴承结构13、23设有磁性变速器以驱动扩散器窗口11、21的旋转。例如，轴承结构13、23包括由电子讯号经由讯号线14、24提供的电磁铁，以驱动可转动环(12,22)12、22中的各个磁铁。
在图标实施方式中，轴承结构13、23两者固定在共用框架31中。如图标，轴承结构13、23的径向偏离可根据扩散器窗口11、21之间的径向中心距离d12。此外，轴承结构13、23的轴向偏离可根据扩散器窗口11、21之间的轴向距离Z12。在优选实施方式中，利用例如弹簧的回弹性构件32a、32b悬挂共用框架31。例如，扩散器窗口11、21的共用框架31悬挂至外部框架33。外部框架33可直接或间接连接至光学系统的其余部分。
图4的前视图示意地图示根据图3的扩散器系统100的实施方式。
在所示实施方式中，共用框架31经悬挂具有共振或自然频率Fn。在优选实施方式中，自然频率Fn低于扩散器窗口11、21的旋转频率。当该等扩散器窗口的旋转频率(f＝ω/2π)高于由悬挂决定的自然频率时，由旋转造成的振动可以不太有效地耦合至外部框架33。优选地，自然频率Fn至少小于扩散器窗口11、21的旋转频率的十分之一，至少小于二十分之一更佳，或更多。例如，可将共用框架31的组件质量与回弹性构件32a～32d的弹簧常数配置为决定所欲相对低的自然频率Fn。
图5的侧视图示意地图标光刻系统1000的实施方式，其包括如本文所述的扩散器系统100。
通常，光刻系统1000包括或耦合至经配置为产生光束的光源101。例如，该光束包括用于执行光刻的光化辐射。在一些实施方式中，光刻系统1000包括或耦合至扩束器102以放大光束。在所示实施方式中，扩束器102包括一对透镜。优选地，有较小光强度的扩散器系统100被安置在扩束器102之后的光学路径的扩张光束中。在一些实施方式中，光刻系统1000包括透镜数组103，例如用以把高斯光束分布重新分配成平顶分布。视需要，透镜数组103按需要可包括变迹(apodization)屏蔽以进一步塑形光束分布。优选地，扩散器系统100放置在透镜数组103之前的光路径中，例如呈高斯光束分布，可免受较少边缘效应。在所示实施方式中，光刻系统1000包括傅立叶透镜104，用以投影均匀光束到屏蔽图样M上。如方块所示意图标的，光刻系统1000通常包括投影系统105，其经配置为投影屏蔽图样到例如被基板台106保持的晶圆或基板S上。
通常，光源101经配置为提供预定光脉冲间隔T，亦即，脉冲之间的时间，其系脉冲频率的倒数。如本文所述，优选，相对表面速度(V12，如图1A及图1B所示)至少等于相关长度(Lc，如图3所示)除以该光脉冲间隔T。并且，可使用较高的速度因子。该速度因子例如可决定是否取样扩散器窗口的不同位置以用于后续光脉冲的曝光，使得它们的斑点图样不相关。较高的速度可能优选，但是可能受限于实际应用。例如，为了取样在5微秒(200kHz)光脉冲间隔T内有相关长度Lc＝10微米的扩散器表面的不同部分，相对表面速度V12优选至少等于10微米/5微秒＝2米/秒。此可通过在径向中心距离d12＝20毫米且以角速度ω＝100弧度/秒(＝955每分钟转速)旋转及(V12＝ω*d12＝100*20毫米＝2米/秒)的一对扩散器来达成。
根据一些方面，本公开也有关于用于扩散光束的对应方法。在一些实施方式中，该方法包括：提供至少两个透射扩散器窗口，例如，其中，该等扩散器窗口经设置成依序扩散透射光束，其中，该等扩散器窗口以角速度连续转动用以均匀化该透射光束的扩散图样，其中，该等扩散器窗口绕着不同的旋转轴线旋转，其中，该等不同旋转轴线互相平行且以径向中心距离彼此偏离，其中，该第一扩散器窗口的转动分区与该第二转动扩散器窗口的转动分区部分重叠，其中，该等部分重叠转动分区限定光束窗口用以均匀化且扩散该透射光束。在数个优选实施方式中，该等扩散器窗口有相关长度Lc，且该光源提供光脉冲间隔T，其中，该角速度ω乘以径向中心距离d12至少等于该相关长度Lc除以该光脉冲间隔T(或乘以光脉冲频率)。
为了描述清楚及简洁，在此描述为相同或个别实施方式的一部分的数个特征，不过，应了解，本发明范畴可包括具有所述特征中的一些或所有的组合的实施方式。例如，尽管图示用于透射扩散器的实施方式，受益于本公开的熟谙此艺者也可想出用以实现类似功能及结果的替代方式。例如，可组合光学组件或分成一个或多个的替代组件。论及且图示的实施方式的各种组件提供某些优点，例如改善光束均匀性。当然，应了解，在寻找及匹配设计和优势时，上述实施方式或制程中的任一者可与一个或多个其它实施方式或制程组合以提供更进一步的改善。应了解，本公开提供光刻系统的独特优势，且大体可应用于光束均匀化的任何应用。
在解释随附权利要求时，应了解，单词“包括”不排除存在除列举于给定权利要求的外的其它组件或动作；组件前面的单词“(a)”或“(an)”不排除存在复数个组件；权利要求中的任何参考符号不限定它们的范畴；数个“构件”可用相同或不同的项目(或数个)或实作结构或菜单示；揭露装置或其部分中的任一者可组合在一起或分开成为其它部分，除非特别说明。在权利要求参考另一权利要求时，这可能表明由彼等的各自特征的组合达成的协同优势。但是事实上，陈述于互不相同权利要求的某些措施不表明这些措施的组合也无法带来优势。因此，本发明实施方式可包括权利要求的所有运作组合，其中，各权利要求原则上可参考前面任一权利要求，除非上下文明确排除在外。

Claims (15)

1.一种用以光学扩散光束(L1,L2)的扩散器系统(100)，所述扩散器系统(100)包括至少两个透射扩散器窗口，其中所述扩散器窗口设置成依序扩散透射穿过所述扩散器窗口的所述光束(L1,L2)，其中所述扩散器系统(100)经配置为以角速度(ω1,ω2)连续转动所述扩散器窗口，用以均匀化透射光束(L1,L2)的扩散图样，其中所述扩散器窗口经配置为绕着不同旋转轴线(C1,C2)旋转，其中所述不同旋转轴线(C1,C2)互相平行且以径向中心距离(d12)彼此偏离，其中所述扩散器窗口中的第一扩散器窗口(11)的转动分区与所述扩散器窗口中的第二扩散器窗口(12)的转动分区部分重叠，其中部分重叠的所述转动分区限定用以均匀化且扩散所述透射光束(L1,L2)的光束窗口(W12)，其中所述扩散器窗口被各自的可转动环保持，其中所述可转动环经配置为在各自的轴承结构(13,23)内旋转，其中所述径向中心距离(d12)小于所述扩散器窗口的半径(R1,R2)或一半的直径(D1,D2)。
2.如权利要求1所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口两者的所述轴承结构(13,23)固定在共用框架(31)中。
3.如权利要求2所述的扩散器系统(100)，其中所述共用框架(31)经悬挂成具有共振或自然频率(Fn)，其中所述自然频率(Fn)低于所述扩散器窗口的旋转频率。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述光束窗口(W12)大于所述扩散器窗口的半径(R1,R2)或一半的所述直径(D1,D2)。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，包括旋转构件，所述旋转构件经配置为使所述扩散器窗口以相同的角速度旋转。
6.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其包括旋转构件，所述旋转构件经配置为使所述扩散器窗口在相同的角度方向旋转。
7.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口的表面经配置为以在所述光束窗口(W12)中不变的相对表面速度(V12)移动。
8.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口有相同的直径或半径。
9.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述光束窗口(W12)具有的直径小于各自的扩散器窗口的直径(D1,D2)。
10.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口在平面中旋转。
11.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口经设置成所述扩散器窗口的表面以轴向距离(Z12)互相平行，其中所述轴向距离(Z12)小于50毫米。
12.如权利要求1-3中的任一项所述的扩散器系统(100)，其中所述扩散器窗口包括用于使所述透射光束(L1,L2)扩散的表面结构。
13.一种光刻系统(1000)，其包括如前述权利要求中的任一项所述的扩散器系统(100)。
14.如权利要求13所述的光刻系统(1000)，其中所述扩散器窗口的表面配置为以在所述光束窗口(W12)中不变的相对表面速度(V12)移动，所述相对表面速度(V12)等于所述角速度(ω1,ω2)乘以所述径向中心距离(d12)，其中所述扩散器窗口具有相关长度(Lc)，所述相关长度(Lc)限定最小距离以使所述扩散器窗口的所述表面相对于横越光束(L1,L2)移动，用以均匀化所述横越光束(L1,L2)中的相干或相关斑点(L1s)，其中所述光刻系统(1000)包括经配置为产生所述光束的光源(101)，其中所述光源(101)经配置为提供预定光脉冲间隔(T)，其中所述相对表面速度(V12)至少等于所述相关长度(Lc)除以所述光脉冲间隔(T)。
15.一种用以扩散光束(L1,L2)的方法，所述方法包括：提供至少两个透射扩散器窗口，其中所述扩散器窗口设置成依序扩散透射光束(L1,L2)，其中所述扩散器窗口以角速度(ω1,ω2)连续转动用以均匀化所述透射光束(L1,L2)的扩散图样，其中所述扩散器窗口绕着不同的旋转轴线(C1,C2)旋转，其中所述不同旋转轴线(C1,C2)互相平行且以径向中心距离(d12)彼此偏离，其中所述扩散器窗口中的第一扩散器窗口(11)的转动分区与所述扩散器窗口中的第二扩散器窗口(12)的转动分区部分重叠，其中部分重叠的所述转动分区限定用以均匀化且扩散所述透射光束(L1,L2)的光束窗口(W12)，其中所述扩散器窗口被各自的可转动环保持，其中所述可转动环在各自的轴承结构(13,23)内旋转，其中所述径向中心距离(d12)小于所述扩散器窗口的半径(R1,R2)或一半的直径(D1,D2)。
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