浸没式光刻系统中光束扩束系统的设计

李美萱，王美娇

长春理工大学光电信息学院

浸没式光刻系统中光束扩束系统的设计

李美萱，王美娇

长春理工大学光电信息学院

在超大规模集成电路中，为了满足45nm节点光刻曝光光学系统对高分辨率的要求，设计了一种光束扩束系统，用于提高照明系统的均匀性。由于准分子激光器在水平和垂直方向上光束发散角有较大差异，从激光器到照明系统的传输光路最长达20m，垂直方向激光最大发散角达到2.1mrad，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54.5mm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准直，然后再传输。通过调节X向柱面镜与Y向柱面镜之间的距离，即第一光学面（球面镜前表面）到Y方向柱面镜后表面距离调整为122.058mm时消除了这种影响，保证输出光束满足指标要求。

浸没式光刻；光束扩束；光学设计

引言

自70年代IC诞生至今,短短几十年,经历了从小规模到超大规模和特大规模集成电路的发展阶段[1]。随着对超大规模集成电路器件的迫切需求，微电子光学光刻技术得到飞速发展。

集成电路（IC）是将大量的二极管、三极管、电阻电容等元件，利用半导体工艺级联封装在一块单晶硅片上，实现特定功能的电子线路，它广泛应用于各种电子设备之中[2]。自20世纪80年代，16兆DRAM的产生，标志着世界开始进入超大规模集成电路（VL⁃SI）阶段，VSLI成为所有高科技领域发展的基础[3]。浸没式光刻照明系统是超大规模集成电路的主要器件[4]。为掩模面提供均匀照明是光刻照明系统主要功能，传统的匀光单元主要利用像差匀光、非球面透镜匀光、棱镜匀光、透镜阵列匀光、菲涅尔透镜匀光、积分棒匀光和反射镜匀光[5]。采用以上匀光方式对照明系统进行仿真发现掩膜面上不同照明模式的均匀性在96%-98%之间，良好的照明均匀性能够获得高分辨率[6]。反之，如果照明均匀性较差，那么会造成各个视场分辨率存在差异，曝光线条的粗细不一致，严重影响光刻机的性能[7]。本论文设计由复眼透镜、复眼聚光镜、均匀性补偿器和耦合镜组构成的匀光系统可使系统在传统照明和离轴照明模式下对掩膜面的非均匀性均低于0.5%，对改善最终的曝光质量具有重要的意义[8]。

1 光束扩束系统设计要求

扩束系统光学设计要求如下，入射激光光束尺寸：12.5mm× 12.8mm（含光斑位置漂移最大值）；入射激光发散角：2.1mrad× 1.1mrad（含光束指向漂移最大值）；光束传输距离：5m～20m可调；扩束后Y向光斑尺寸：20mm≤y≤30mm；X、Y两个方向光斑尺寸比值：0.7≤x/y≤1；X、Y两个方向光束发散角：≤2mrad；X、Y两个方向光束发散角之差：θx-θy≤1mrad。

2 光束扩束系统设计

在设计中准分子激光器输出光束的横截面为近似正方形，为了使激光光束的传播距离改变时易于调节出射角度，可采用一组负光焦度柱面镜先进行扩束，再用一正光焦度球面镜对水平方向和垂直方向进行准直。

采用的方案为：三片式的结构，包含两片柱面镜和一片球面镜，两片柱面镜光焦度分别为垂直方向和水平方向，将球面镜和两片柱面镜组合，分别实现对垂直和水平方向进行准直扩束。考虑到后续用于照明模式变换的衍射元件的口径不能太大，最终设计目标光束口径为28.5mm×28.5mm，发散角差<1mrad。

激光传输距离在5米～20米范围内变化时，通过调节两组柱面镜组和球面镜之间的间隔来保证输出光束尺寸和发散角满足设计指标要求。

当激光传输距离在5米～20米范围内变化时，不需要调透镜间隔，即可保证输出激光光束口径和发散角满足设计指标要求。

3 结论

对X方向和Y方向扩束整形系统分开进行设计，水平方向放大倍率为2.235倍，垂直方向放大倍率为2.297倍，水平方向最终发散角为1mrad，垂直方向最终发散角为1.8mrad，激光传输距离在5米～20米范围内变化时，不需要调透镜间隔，保证目标光束口径在28±0.5mm范围内，Y向柱面镜到球面镜前表面距离为121.50mm，X向柱面镜到球面镜前表面距离为117.845mm。

将设计好的X方向和Y方向扩束整形系统进行组合，发现X柱面镜对Y方向的扩束整形结果有影响，通过调节X向柱面镜与Y向柱面镜之间的距离，即第一光学面（球面镜前表面）到Y方向柱面镜后表面距离调整为122.058mm时消除了这种影响，保证输出光束满足指标要求。

设计的扩束整形系统结构图如下，球面镜和柱面镜X组合实现对激光光束X方向进行扩束整形，球面镜和柱面镜Y组合实现对激光光束Y方向进行扩束整形。

图1 扩束整形系统设计结果

该系统的优点：激光传输距离在5米～20米范围内变化时，不需要调透镜间隔，保证目标光束口径在28.5±0.5mm范围内，X方向发散角为1.0mrad，Y方向发散角为1.8mrad。

[1]肖艳芬，朱菁，杨宝喜.用于光刻机照明均匀化的微柱面镜阵列设计[J].中国激光，2013,40（2）：0216001

[2]宋强，朱菁，王健.基于混合梯度下降的高性能光刻机离轴照明衍射光学元件设计[J].光学学报，2015，35（1）：0122005

[3]胡中华，杨宝喜，朱菁.用于投影光刻机光瞳整形的衍射光学元件设计[J].中国激光，2013,40（6）：0616001

[4]张巍,巩岩.投影光刻离轴照明用衍射光学元件设计[J].光学精密工程,2008,16（11）:2081-2086.

[5]赵阳,巩岩.深紫外光刻照明系统光束整形单元的设计[J].光学精密工程，2011，19（1）：29-34

[6]赵阳,巩岩.提高深紫外光刻照明系统扩束单元光束均匀性的方法[J].光学学报，2012，32（8）：0822004

[7]张巍，巩岩.投影光刻离轴照明用衍射光学元件设计[J].光学精密工程，2008,16（11）:2081-2086.

[8]张巍.“神光”装置大尺寸衍射光学元件设计及其应用研究[D].博士学位论文1.中国科学技术大学物理系，2007.