CN110806681A - 一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统。该照明系统采用高压汞灯作为光源，利用双排错位蝇眼透镜阵列进行微分切割，采用科勒结构。同时再设计一组‑1倍双远心物镜，将一次照明面投影至二次照明面，进一步提升照明各视场主光线平行度，同时可在一次照明面处设置视场光阑，控制照明视场大小。该照明系统照明孔径角NA＝0.04，照明主光线平行线度＜0.05°，最大照明光功率密度可达110mW/cm2(365nm±3nm)。该照明系统能在低数值孔径下实现高光功率密度输出，同时稳定性高，为高效、稳定激发表面等离子体提供了保障。

Description

一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统
技术领域
本发明涉及一种表面等离子体超分辨光刻机的紫外高光功率密度照明系统，属于新型微纳加工设备中的光学系统设计领域。
背景技术
表面等离子体超分辨光刻机作为一种新颖的光刻设备，将为发展高分辨、大面积、以及低成本的纳米加工技术提供了重要的技术途径。该设备需要在低数值孔径下(NA＝0.04)，实现高光功率密度i线照明(≥125mW/cm2)。现有商业化i线照明系统均无法同时满足这两类条件。因此，为解决上述问题，本发明提出一种可用于超分辨光刻机的紫外高光功率密度照明系统，填补国内外的空白。
发明内容
为填补相应的空白，本发明提出了一种能用于表面等离子超分辨光刻机的紫外高光功率密度照明系统。该系统能在较小的数值孔径下，长时间稳定输出具有高能量密度的紫外光场。
一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，包括：
采用2000W高压汞灯作为照明输出光源，采用镀有紫外高反射率介质膜系的椭球杯(L1)作为一次光线收集器；
所述椭球杯收集的光线聚焦在椭球杯第二焦点处，利用第一反射镜(L2)对光线进行转折；光线在椭球杯的第二焦点后方入射进双排对称复眼透镜组(L3、L4)，入射光线角度与双排对称复眼透镜组数值孔径匹配，减小能量损失；
所述双排对称复眼透镜组(L3、L4)完全对称，双排对称复眼透镜组(L3、L4)中的第一透镜(L3)和第二透镜(L4)互相置于对方焦点位置，互为场镜，通过这种结构，斜入射的平行光线在出射时被校正为近似于平行于光轴的平行光；从而减小后续光元件的尺寸，同时让更多的光线进入后续光学元件，以提高光能利用率；
双排对称复眼透镜组(L3、L4)后接聚光镜组G1(L5～L10)，聚光镜组将双排对称复眼透镜组切割的光场，成像在一次照明面上，通过光场叠加，实现均匀照明；
在聚光镜组G1的像面，即系统的一次照明面，放置照明系统的视场光阑；
视场光阑后接有一组-1X远心照明物镜组，将一次照明面按照1:1的比例投影至实际照明面，即二次照明面。
所述视场光阑采用机械加工固定光阑或可变光阑的形式，实现对照明光场面积、形状的控制。
其中远心照明物镜组的物面为视场光阑，在第十二镜片(L14)与第十三镜片(L15)之间设置照明系统孔径光阑，用于对照明光场数值孔径进行调整。
所述-1X远心照明物镜组中第十一镜片(L13)、第十二镜片(L14)、第十三镜片(L15)、第十四镜片(L16)为“凹-凸型”镜片。
为压缩照明系统整体径向长度，并方便与表面等离子体超分辨光刻物镜进行匹配，引入第二反射镜(L18)对光路进行转折；照明系统后工作距为200mm
照明系统所有玻璃均采用紫外透过率高的熔石英材料，牌号为JGS1。
照明系统所有透射元件均镀有高紫外透过率的透过介质膜系，第一、第二反射镜镀有高紫外反射率的反射介质膜系，膜系抗损伤阈值＞5000mW/cm2。
聚光镜组G1整体焦距f聚＝1500mm，采用6片式结构，包括依次设置的第三透镜(L5)、第四透镜(L6)、第五透镜(L7)、第六透镜(L8)、第七透镜(L9)、第八透镜(L10)。
在椭球杯第一焦点上方790mm处，设置第一反射镜，用于对光路进行转折压缩纵向空间，为机械结构设计提供便利。
在双排对称复眼透镜组(L3、L4)实际安装的过程中，机械结构留有调整机构，以便穿轴。
有益效果：
本发明的照明系统能在低数值孔径下实现高光功率密度输出，同时稳定性高，为高效、稳定激发表面等离子体提供了保障。
附图说明
图1为本发明一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统光学结构图；
图2为本发明一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统中对称复眼设置；
图3为本发明一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统中聚光镜组与-1X远心物镜组远心度匹配；
图4为本发明一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统光线追迹结果；
图5为本发明一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统机械外形设计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明设计了一种能用于表面等离子体超分辨光刻机的紫外高光功率密度照明系统，该系统光路整体结构如附图1所示。采用2000W高压汞灯作为照明光源，放置于椭球杯(L1)的第一焦点处，即图1中S位置。利用椭球杯对其发出的光线进行收集。光线收集后将聚焦于椭球杯的第二焦点处。在实施的过程中，机械结构可考虑采用电动机械三维台对高压汞灯和椭球杯的相对位置进行调整。若调整不当，则会导致光斑偏移、光线收集角度不对、无法聚焦在椭球杯的第二焦点处，从而导致均匀性下降、照明光功率密度下降等问题；
在椭球杯第一焦点上方790mm处，设置反射镜，对光路进行转折，可有效压缩纵向空间，为机械结构设计提供便利；
该照明系统共转折2次，如附图1所示，三段光学距离分别为790mm、1900mm、450mm。本照明系统光学后工作距为200mm。
由于椭球杯两焦点间距离较长，利用反射镜L2对光路进行转折，压缩空间，为机械结构提供便利。
光线在第二焦点后方将由聚焦变为发散，并入射双排对称复眼透镜组L3、L4，对光线进行微分切割。其中发散角与复眼的孔径角匹配。
双排对称复眼透镜组采用对称排布，L3与L4分别设置在相互的焦点处，即L4设置在L3焦点处，L3设置在L4焦点处。该设置的优势在于，可以降低复眼透镜的制造难度，提高光能利用率，如图2所示。
在L4复眼后，设置聚光镜组G1，如图1所示，包含镜片L5～L10。聚光镜组G1将对双排对称复眼透镜组出射的光线进行叠加积分，在一次照明面上实现均匀照明。
为配合表面等离子体超分辨光刻物镜系统，聚光镜数值孔径NA＝0.04，远心角σ∈[-0.05°，0.05°]；双排对称复眼透镜组L3、L4整体通光为Φ＝120mm，如图3所示，根据公式
Figure BDA0002256951570000031
可以计算出聚光镜的焦距为f聚＝1500mm，为压缩照明系统整体尺寸且保证远心角，聚光镜采用6片式结构，即图1中的G1部分；必须要注意L5、L6、L8属于“凹-凸型”镜片，加工过程中较为容易变形，必须要严格控制；
优选的，聚光镜组G1的像面，即本照明系统的一次照明面，放置照明系统的视场光阑，即图1中的视场光阑。可采用机械加工固定光阑或可变光阑的形式，实现对照明光场面积、形状的控制。
以视场光阑为物面，引入-1X远心物镜组G2，包含镜片L11～L19。该-1X远心物镜组共轭距为1550mm，孔径角与远心度均与聚光镜组G1进行匹配，并对球差、慧差、场曲等单色像差进行校正，保证实际照明面上的光束质量；
所述-1X倍远心物镜组共有透射镜片8个(L11～L17，L19)，呈标准对称双腰双远心构型，为压缩轴向空间，引入反射镜(L18)对光路进行转折。各视场均与聚光镜组进行远心度匹配，减少G1、G2对接时的光能量损失，如图3所示；
优选的，视场光阑后接有一组-1X远心照明物镜组，可将一次照明面按照1:1的比例投影至实际照明面，即二次照明面。其中远心照明物镜组的物面为视场光阑，在镜片L14与镜片L15之间设置照明系统孔径光阑，方便对照明光场数值孔径进行调整。与视场光阑相同，孔径光阑可采用机械加工固定光阑或可变光阑的形式进行实施。
优选的，-1X远心照明物镜组中镜片L13、镜片L14、镜片L15、镜片L16为“凹-凸型”镜片，加工过程中较为容易变形，必须要严格控制，尤其是镜片L14与镜片L15加工最为困难。
本照明系统所有透射镜片材料均采用熔石英，牌号为JGS1，在365nm波段具有良好的透过率。该材料在365nm波段的透过率和折射率参数如下：
波段 透过率 折射率
365nm ≥99％ 1.47450
优选的，所述远心照明物镜组以科勒照明面为物面，实际掩膜面为像面，构成一个共轭关系。将整个照明系统的视场光阑放置于科勒照明面，可以更为精确地控制曝光场照明面积尺寸和照明均匀性。此外远心物镜组的孔径光阑也可作为照明系统的孔径光阑，方便对数值孔径进行调节。本方案引入-1X远心物镜组(L11～L19)，若需要实现更大面积的照明，则可以引入更高倍率的远心物镜组，但照明光功率密度会随着面积增大而降低。
优选的，为压缩照明系统整体径向长度，并方便与表面等离子体超分辨光刻物镜进行匹配，引入反射镜L18对光路进行转折。照明系统后工作距为200mm。
在Lighttools软件中对本照明系统进行仿真，将汞灯实测参数、材料实测参数代入，并考虑一定加工误差和膜系损失，将光线追迹设定为2亿条，以保证仿真的准确性。仿真结果如图4所示，最大照明光功率密度可达110mW/cm2(365nm±3nm)，能够保证表面等离子的有效激发。
依据光路布局，本照明系统机械外形设计如附图5所示。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于，包括：
采用2000W高压汞灯作为照明输出光源，采用镀有紫外高反射率介质膜系的椭球杯(L1)作为一次光线收集器；
所述椭球杯收集的光线聚焦在椭球杯第二焦点处，利用第一反射镜(L2)对光线进行转折；光线在椭球杯的第二焦点后方入射进双排对称复眼透镜组(L3、L4)，入射光线角度与双排对称复眼透镜组数值孔径匹配，减小能量损失；
所述双排对称复眼透镜组(L3、L4)完全对称，双排对称复眼透镜组(L3、L4)中的第一透镜(L3)和第二透镜(L4)互相置于对方焦点位置，互为场镜，采用该结构，斜入射的平行光线在出射时被校正为近似于平行于光轴的平行光；从而减小后续光元件的尺寸，同时让更多的光线进入后续光学元件，以提高光能利用率；
双排对称复眼透镜组(L3、L4)后接聚光镜组G1(L5～L10)，聚光镜组将双排对称复眼透镜组切割的光场，成像在一次照明面上，通过光场叠加，实现均匀照明；
在聚光镜组G1的像面，即系统的一次照明面，放置照明系统的视场光阑；
视场光阑后接有一组-1X远心照明物镜组，将一次照明面按照1:1的比例投影至实际照明面，即二次照明面。
2.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
所述视场光阑采用机械加工固定光阑或可变光阑的形式，实现对照明光场面积、形状的控制。
3.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
以视场光阑为物面，引入-1X远心物镜组G2，包含第九镜片～第十七镜片(L11～L19)；该-1X远心物镜组共轭距为1550mm，孔径角与远心度均与聚光镜组G1进行匹配，并对球差、慧差、场曲单色像差进行校正，保证实际照明面上的光束质量；
其中-1X远心照明物镜组的物面为视场光阑，在第十二镜片(L14)与第十三镜片(L15)之间设置照明系统孔径光阑，用于对照明光场数值孔径进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
所述-1X远心物镜组共有透射镜片8个(L11～L17，L19)，呈标准对称双腰双远心构型；
所述-1X远心照明物镜组中第十一镜片(L13)、第十二镜片(L14)、第十三镜片(L15)、第十四镜片(L16)为“凹-凸型”镜片。
5.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
为压缩照明系统整体径向长度，并方便与表面等离子体超分辨光刻物镜进行匹配，引入第二反射镜(L18)对光路进行转折；照明系统后工作距为200mm。
6.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
照明系统所有玻璃均采用紫外透过率≥99％的熔石英材料。
7.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
照明系统所有透射元件均镀有高紫外透过率的透过介质膜系，第一、第二反射镜镀有高紫外反射率的反射介质膜系，膜系抗损伤阈值＞5000mW/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
聚光镜组G1整体焦距f聚＝1500mm，采用6片式结构，包括依次设置的第三透镜(L5)、第四透镜(L6)、第五透镜(L7)、第六透镜(L8)、第七透镜(L9)、第八透镜(L10)。
9.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
在椭球杯第一焦点上方790mm处，设置第一反射镜，用于对光路进行转折压缩纵向空间，为机械结构设计提供便利。
10.根据权利要求1所述的一种表面等离子体光刻机的高光功率密度照明系统，其特征在于：
在双排对称复眼透镜组(L3、L4)实际安装的过程中，机械结构留有调整机构，以便穿轴。
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