CN112946906A - 一种用于dmd投影光刻的空间光强度匀化系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统，为解决现有DMD投影光刻系统中目标面处的光场均匀性差、能量利用率低的问题。该系统包括由前自由曲面和后自由曲面集成在一个透镜上的结构；其设计方法包括以下步骤：建立空间坐标系；对前自由曲面和目标面进行划分，根据能量映射关系建立矢量坐标对应关系；对前自由曲面采用斯涅耳定律进行迭代求解，得到前自由曲面上所有点的坐标；将前自由曲面母线的所有出射单位向量作为后自由曲面的入射向量，结合斯涅耳定律和等光程边界条件进行迭代求解，得到后自由曲面的所有点的坐标；根据前后自由曲面的所有点坐标构建双自由曲面的截面结构，得到能够实现目标面处空间光强度匀化的系统。

Description

一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及数字光刻技术领域，更具体地，涉及一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统及其设计方法。

背景技术

随着光刻曝光技术的不断发展，其加工线条的最小特征尺寸越来越小，对掩模板的精度要求也越来越高。掩模板制作复杂、周期长、费用昂贵，一旦加工完成，就无法修改，这些缺陷已经严重限制了掩膜式光刻曝光的应用。DMD数字光刻系统由于其光能利用率高、响应时间短、成本低等优点得到越来越广泛的应用。为了使基于DMD的投影光刻装置能够达到足够小的光刻分辨率的结果，需要引入计算光刻的光刻方法到投影光刻装置中，如移相掩模技术、光学临近效应修正技术等分辨率增强技术。此类技术是通过光波相位的调制来改善光学成像对比度和焦深从而达到增强光刻分辨的功能，而把这类技术应用到基于DMD投影光刻装置中时，需要对目标DMD上的位相进行调制，使得其入射与反射光皆为平行光。由于激光器出射的激光存在位相不平整以及发散角的问题，因此需要引入自由曲面来对光波相位进行平整化变换。同时还需要考虑光刻胶受曝光剂量均匀以得到光刻图形的高度均匀性，一致性，可重复性。

目前对于投影光刻激光源的匀化多用非球面匀化方法，微透镜阵列整形，以及采用透镜对扩束-截取法整形。其中，非球面匀化方法多为只对目标面的能量进行匀化，无法对相位进行调制。采用微透镜阵列的匀化率高，但其结构复杂，设计繁琐且不利于集成，且其得到的结果同样无法对目标面相位进行调制；采用透镜对扩束整形，虽然扩束后光束中心的均匀度很高，但是能量利用率很低。因此急需一种设计简单，集成度高，且能对目标面激光多个参数进行调制的光学系统，用于有效提高DMD投影光刻系统中目标面处光场振幅位相参数的均匀性，以及光场的能量利用率。

发明内容

本发明为解决现有DMD投影光刻系统中目标面(一般为掩模板平面)处的光场均匀性差、能量利用率低的问题，提供一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统，包括由前自由曲面和后自由曲面集成在一个透镜上的结构。

本发明针对上述由前自由曲面和后自由曲面集成设置在一个透镜上的空间光强度匀化系统，提出一种空间光强度匀化系统的设计方法，包括以下步骤：

S1：对所述空间光强度匀化系统建立空间坐标系；

S2：对所述前自由曲面进行等能量划分，对目标面进行等面积划分，并根据能量映射关系建立前自由面和目标面上的矢量坐标对应关系；

S3：对所述前自由曲面采用斯涅耳定律进行迭代求解，得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标；

S4：将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量作为所述后自由曲面的入射向量，结合斯涅耳定律和等光程边界条件进行迭代求解，得到所述后自由曲面的所有离散点的坐标；

S5：根据所述前自由曲面母线的所有数据点及所述后自由曲面的所有离散点构建双自由曲面的截面结构，得到空间光强度匀化系统。

本技术方案根据非成像光学设计理论，提出设计前自由曲面和后自由曲面的方法，并利用能量映射原理，计算前自由曲面和后自由曲面中每一个点的坐标，从而构建双自由曲面的截面结构，得到空间光强度匀化系统。

作为优选方案，以所述前自由曲面和后自由曲面的母线作为旋转面，以X-O-Y平面为底面，以Z轴为主轴建立空间坐标系。

作为优选方案，所述S1步骤中，还包括以下步骤：设定一个与X-O-Y面平行虚拟面的Z向位置作为用于计算前自由曲面的基准面N。

作为优选方案，对所述前自由曲面和目标面进行等能量划分的具体步骤包括：根据入射高斯光束的能量分布将其划分为m份等能量格，将基准面N划分为与入射高斯光束能量份数相同的m份等面积图形，进一步求解得到等能量划分的入射激光划分横坐标x，其计算公式如下：

式中，Φ为入射高斯光束能量分布；I₀为高斯分布中心主级强度，r₁为等能量划分的左边界值，R为目标面的半径，w₀为为高斯光束切趾束腰宽度；

其中，目标面半径R满足以下表达式：

式中，r_mi表示目标面等面积划分的第i个边界的半径；

对所述目标面进行等能量划分的具体步骤包括：将入射面照度E₀作为目标面接收的能量E₀并划分为n份，将目标面外接圆划分为环带面积为S/n的若干圆环，每一个圆环划分的能量为E₀/n。

作为优选方案，所述入射高斯光束的能量分布表示为0到无穷高斯光的总体能量Φ，其表达公式如下：

其中，所述入射高斯光束的能量分布中，每点的能量分布表示为：

作为优选方案，获取所述前自由曲面母线上每一个点的坐标的具体步骤如下：

S31：设定一个初始点参数作为基准点P₁，经所述基准点的出射光为平行于Z轴的光线；

S32：将所述基准点采用矢量形式的斯涅耳定律进行迭代求解，得到基准点P₁的法向矢量

其中矢量形式的斯涅耳定律的表达式如下：

式中，

为出射光单位向量，

为入射光单位向量；n₁为所处环境的折射率，n₂为透镜介质折射率；

S33：根据基准点P₁的法向矢量

确定第二个点P₂的位置，其中第二个点P₂位于基准点P₁的切线方向上且与法向矢量

垂直，其表达公式如下：

其中P_i表示所述前自由曲面母线上第i个点；根据上式迭代得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标(x_i,y_i)，即为所述前自由曲面所有的出射单位向量。

作为优选方案，获取所述后自由曲面的所有离散点的坐标的具体步骤如下：将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量进行归一化，作为所述后自由曲面的入射单位向量；设定第一个出射光单位法向量，选取目标面距离所述后自由曲面的第一个点U₀，计算点U₀与目标面的距离h₂，联立斯涅耳定律和等光程边界条件得到点U₀的位置：

n₁h₁+n₂ΔL+n₁h₂-C＝0

式中，C为总光程，h₁为激光发射到所述前自由曲面的距离；联立上式以及第一个出射光单位法向量进行迭代计算，得到所述后自由曲面上所有离散点的坐标。

作为优选方案，设定第一个出射光单位法向量为(0,1)。

作为优选方案，所述S5步骤中，将所述前自由曲面母线上每一个点的坐标及所述后自由曲面的所有离散点的坐标进行数据拟合，采用绘图工具进行旋转得到双自由曲面的截面结构，进一步根据目标DMD进行孔径截取确定出口形状，得到用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明的设计方法得到的透镜结构设计简单，集成度高，能对目标面激光束多个参数进行调制，可有效提高DMD投影光刻系统中目标面处光场振幅位相参数的均匀性，以及光场的能量利用率；

(2)经本发明的设计方法得到的元件能够对出射光进行整形、准直、匀化，其光斑形状能够准确匹配DMD的形状，能够实现在不具备准直元件的情况下得到准直出射的激光，能够对一系列分别率增强技术的应用提供便利的设备环境，便于光学系统的装配，减少装配空间。

附图说明

图1为本发明的用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的设计方法流程图。

图2为实施例1中划分高斯光束的截面示意图。

图3为实施例1中划分目标面外接圆面积的示意图。

图4为实施例1中后自由曲面上所有离散点的示意图。

图5为实施例2中空间光强度匀化系统的自由曲面透镜结构示意图。

图6为实施例2中用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的整体结构示意图。

图7为实施例2中应用设计得到的透镜进行模拟的光源照度曲线图。

图8为实施例2中应用设计得到的透镜进行模拟的目标DMD上的照度示意图。

图9为实施例2中应用设计得到的透镜进行模拟的目标DMD上的照度示意图。

图10为实施例2中应用设计得到的透镜进行模拟的目标DMD上的相干相位分布示意图。

图11为实施例2中应用设计得到的透镜进行模拟的目标DMD上的相干相位分布示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统，其包括由前自由曲面和后自由曲面集成设置在一个透镜上的结构。

针对上述空间光强度匀化系统，本实施例进一步提出一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的设计方法，其包括以下步骤：

S1：对所述空间光强度匀化系统建立空间坐标系。

其中，以所述前自由曲面和后自由曲面的母线作为旋转面，以X-O-Y平面为底面，以Z轴为主轴建立空间坐标系。

进一步的，本实施例设定一个与X-O-Y面平行的虚拟面的Z向位置作为用于计算前自由曲面的基准面N。

S2：对前自由曲面进行等能量划分，对目标面进行等面积划分，并根据能量映射关系建立自由面和目标面上的矢量坐标对应关系。其具体步骤如下：

根据入射高斯光束的能量分布将其划分为m份等能量格，如图2所示，为本实施例划分高斯光束的截面示意图；将基准面N划分为与入射高斯光束能量份数相同的m份等面积图形，进一步求解得到等能量划分的入射激光划分横坐标x，其计算公式如下：

式中，Φ为入射高斯光束能量分布；I₀为高斯分布中心主级强度，r₁为等能量划分的左边界值，R为目标面的半径，w₀为为高斯光束切趾束腰宽度；

对目标面进行等面积划分，其中，目标面半径R满足以下表达式：

式中，r_mi表示目标面等面积划分的第i个边界的半径。

对所述目标面进行等能量划分的具体步骤包括：将入射面照度E₀作为目标面接收的能量E₀并划分为n份，将目标面外接圆划分为环带面积为S/n的若干圆环，每一个圆环划分的能量为E₀/n。其中，S为目标面外接圆面积，由DMD的直径计算得到。当DMD直径为d时，设计透镜的半径为

如图3所示，为目标面划分示意图。

进一步的，入射高斯光束的能量分布表示为0到无穷高斯光的总体能量Φ，其表达公式如下：

其中，所述入射高斯光束的能量分布中，每点的能量分布表示为：

S3：对所述前自由曲面采用斯涅耳定律进行迭代求解，得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标。

本实施例中，为实现匀化作用，前自由曲面设定为凸面镜，其中，获取所述前自由曲面母线上每一个点的坐标的具体步骤如下：

S31：设定一个初始点参数作为基准点P₁，经所述基准点的出射光为平行于Z轴的光线；

S32：将所述基准点采用矢量形式的斯涅耳定律进行迭代求解，得到基准点P₁的法向矢量

其中矢量形式的斯涅耳定律的表达式如下：

式中，

为出射光单位向量，

为入射光单位向量；n₁为所处环境的折射率，n₂为透镜介质折射率；

S33：根据基准点P₁的法向矢量

确定第二个点P₂的位置，其中第二个点P₂位于基准点P₁的切线方向上且与法向矢量

垂直，其表达公式如下：

其中P_i表示所述前自由曲面母线上第i个点；根据上式迭代得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标(x_i,y_i)，即为所述前自由曲面所有的出射单位向量。

本实施例中，入射光矢量为(0,1)，而出射光矢量在第一点也为(0,1)，求解矢量形式的斯涅耳定律的表达式可以得到基准点P₁的法向矢量

且当分割数m取得足够多时，可以近似的认为第二个点P₂位于基准点P₁的切线方向上且与法向矢量

垂直。

S4：将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量作为所述后自由曲面的入射向量，结合斯涅耳定律和等光程边界条件进行迭代求解，得到所述后自由曲面的所有离散点的坐标。

获取所述后自由曲面的所有离散点的坐标的具体步骤如下：

将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量进行归一化，作为所述后自由曲面的入射单位向量；设定第一个出射光单位法向量为(0,1)，选取目标面距离所述后自由曲面的第一个点U₀，计算点U₀与目标面的距离h₂，联立斯涅耳定律和等光程边界条件得到点U₀的位置：

n₁h₁+n₂ΔL+n₁h₂-C＝0

式中，C为总光程，h₁为激光发射到所述前自由曲面的距离；联立上式以及第一个出射光单位法向量进行迭代计算，得到所述后自由曲面上所有离散点的坐标。如图3所示，为本实施例的后自由曲面上所有离散点的示意图。

S5：根据所述前自由曲面母线的所有数据点及所述后自由曲面的所有离散点构建双自由曲面的截面结构，得到空间光强度匀化系统。具体的，将所述前自由曲面母线上每一个点的坐标及所述后自由曲面的所有离散点的坐标进行数据拟合，采用绘图工具进行旋转得到双自由曲面的截面结构，进一步根据目标DMD进行孔径截取确定目标DMD形状，得到用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统，其能量分布均匀，光场分布相位一致。

本实施例设计得到的前自由曲面边界与入射光束光斑大小重合，经后自由曲面出射的出射光束光斑与DMD目标面边界重合。经本实施例设计方法设计的透镜结构能够用于投影光刻系统中对于出射光的整形、准直和运化。

实施例2

本实施例应用实施例1提出的一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的设计方法，本实施例中的空间光强度匀化系统的自由曲面透镜结构如图5所示，其透镜结构中前后表面均为自由曲面，而目标面DMD的芯片长宽比例为：14.22mm*10.67mm。根据公式确定所设计的自由曲面半径为

在本实施例中将自由曲面半径取值为12mm。

设定透镜厚度为15mm，令前自由曲面的第一个点P₀为(0,15)，第一个目标面Z向坐标为30mm，令第一条光线入射单位向量为(0,1)，采用矢量形式的斯涅耳定律进行迭代求解，计算得到前自由曲面的所有点的坐标P₀，P₁，P₂，...，P_m，由此得到前自由曲面的面型，以及透镜内的出射单位向量，将其作为后自由曲面的迭代入射向量。

选取后自由曲面中的第一个点U₀为(0,30)，第一个出射光单位法向量为(0,1)，选取DMD目标面的Z向距离为80mm，计算得到第一条光线的总光程为C，即可根据等光程边界条件以及斯涅耳定律迭代计算得到后自由曲面的所有点的坐标U₀,U₁,U₂,...,U_m。

将前自由曲面的所有点的坐标P₀，P₁，P₂，...，P_m以及后自由曲面的所有点的坐标U₀,U₁,U₂,...,U_m进行拟合后输入软件SolidWorks进行旋转画图，得到完整的面型。然后再选取一个孔径为14.22mm*10.67mm的薄光阑进行截取自由曲面的出射光，最终得到的透镜整体结构如图6所示。

将设计得到的透镜作为空间光强度匀化系统放入Zemax非序列模式中进行模拟，对系统进行一亿条光线追迹，其光源照度曲线如图7所示；目标DMD上的照度如图8、9所示，其相干相位分布如图10、11所示。由图可知，将设计得到的透镜作为空间光强度匀化系统的出射光为准直平行光，目标DMD能量均匀分布，且大小形状相符。

根据Zemax模拟结果可知，采用本发明提出的用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的设计方法为有效的且具有极高的可行性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统，其特征在于，包括由前自由曲面和后自由曲面集成设置在一个透镜上的结构。

2.一种根据权利要求1所述的用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对所述空间光强度匀化系统建立空间坐标系；

S2：对所述前自由曲面进行等能量划分，对目标面进行等面积划分，并根据能量映射关系建立前自由面和目标面上的矢量坐标对应关系；

S3：对所述前自由曲面采用斯涅耳定律进行迭代求解，得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标；

S4：将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量作为所述后自由曲面的入射向量，结合斯涅耳定律和等光程边界条件进行迭代求解，得到所述后自由曲面的所有离散点的坐标；

S5：根据所述前自由曲面母线的所有数据点及所述后自由曲面的所有离散点构建双自由曲面的截面结构，得到空间光强度匀化系统。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，以所述前自由曲面和后自由曲面的母线作为旋转面，以X-O-Y平面为底面，以Z轴为主轴建立空间坐标系。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述S1步骤中，还包括以下步骤：设定一个与X-O-Y面平行的虚拟面的Z向位置作为用于计算前自由曲面的基准面N。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，对所述前自由曲面进行等能量划分的具体步骤包括：根据入射高斯光束的能量分布将其划分为m份等能量格，将基准面N划分为与入射高斯光束能量份数相同的m份等面积图形，进一步求解得到等能量划分的入射激光划分横坐标x，其计算公式如下：

式中，Φ为入射高斯光束能量分布；I₀为高斯分布中心主级强度，r₁为等能量划分的左边界值，R为目标面的半径，w₀为高斯光束切趾束腰宽度；

其中，目标面半径R满足以下表达式：

式中，r_mi表示目标面等面积划分的第i个边界的半径；

对所述目标面进行等能量划分的具体步骤包括：将入射面照度能量E₀作为目标面接收的能量E₀并划分为n份，将目标面外接圆划分为环带面积为S/n的若干圆环，每一个圆环划分的能量为E₀/n。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述入射高斯光束的能量分布表示为0到无穷高斯光的总体能量Φ，其表达公式如下：

其中，所述入射高斯光束的能量分布中，每点的能量分布表示为：

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，获取所述前自由曲面母线上每一个点的坐标的具体步骤如下：

S31：设定一个初始点参数作为基准点P₁，经所述基准点的出射光为平行于Z轴的光线；

S32：将所述基准点采用矢量形式的斯涅耳定律进行迭代求解，得到基准点P₁的法向矢量

其中矢量形式的斯涅耳定律的表达式如下：

式中，

为出射光单位向量，

为入射光单位向量；n₁为所处环境的折射率，n₂为透镜介质折射率；

S33：根据基准点P₁的法向矢量

确定第二个点P₂的位置，其中第二个点P₂位于基准点P₁的切线方向上且与法向矢量

垂直，其表达公式如下：

其中P_i表示所述前自由曲面母线上第i个点；根据上式迭代得到所述前自由曲面母线上每一个点的坐标(x_i,y_i)，即为所述前自由曲面所有的出射单位向量。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，获取所述后自由曲面的所有离散点的坐标的具体步骤如下：

将所述前自由曲面母线的所有出射单位向量进行归一化，作为所述后自由曲面的入射单位向量；设定第一个出射光单位法向量，选取目标面距离所述后自由曲面的第一个点U₀，计算点U₀与目标面的距离h₂，联立斯涅耳定律和等光程边界条件得到点U₀的位置：

n₁h₁+n₂ΔL+n₁h₂-C＝0

式中，C为总光程，h₁为激光发射到所述前自由曲面的距离；联立上式以及第一个出射光单位法向量进行迭代计算，得到所述后自由曲面上所有离散点的坐标。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，设定第一个出射光单位法向量为(0,1)。

10.根据权利要求2～9任一项所述的设计方法，其特征在于，所述S5步骤中，将所述前自由曲面母线上每一个点的坐标及所述后自由曲面的所有离散点的坐标进行数据拟合，采用绘图工具进行旋转得到双自由曲面的截面结构，进一步根据目标DMD进行孔径截取确定出口形状，得到用于DMD投影光刻的空间光强度匀化系统。

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