專利名稱：一種用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和芯片集成度的提高，光刻工藝不斷向前發(fā)展并一再突破 分辨率極限，如何進(jìn)一步提高投影光刻系統(tǒng)的分辨率和焦深，提高投影光刻機(jī)的性能成了 關(guān)注的熱點(diǎn)?？s短曝光波長(zhǎng)、增大投影物鏡的數(shù)值孔徑、減小工藝因子都可達(dá)到提高分辨率 的目的，但同時(shí)又制約了焦深的增大。采用分辨率增強(qiáng)技術(shù)是解決上述問題的主要途徑之
ο離軸照明是近年來投影光刻系統(tǒng)中常采用的一種分辨率增強(qiáng)技術(shù)。常見的離軸照 明模式有環(huán)形均勻照明、偶極均勻照明、四極均勻照明等。實(shí)現(xiàn)離軸照明最簡(jiǎn)單的方法是， 將一個(gè)形狀和尺寸與預(yù)定的照明模式一致的光闌置于光學(xué)積分器的后表面，透過光闌的光 束在目標(biāo)面上便形成預(yù)定的離軸照明模式。由于存在對(duì)光束的阻擋，該方法能量利用率較 低。另一種方法是采用光學(xué)衍射元件(DOE)來實(shí)現(xiàn)離軸照明。光束經(jīng)光學(xué)衍射元件作用后 直接在目標(biāo)面產(chǎn)生所需的離軸照明模式，因而大大提高了能量利用率。然而，衍射光學(xué)元件 存在一定的衍射效率，且衍射效率與DOE加工工藝有一定的制約，因此，想通過衍射光學(xué)元 件進(jìn)一步提高能量利用率是十分困難的。美國(guó)專利US20090135392A1提出了一種用于曝光裝置中實(shí)現(xiàn)離軸照明的空間光 束調(diào)制單元。該種空間光束調(diào)制單元由依次放置于光束傳播方向上的兩個(gè)空間光束調(diào)制器 組成，每個(gè)空間光束調(diào)制器由相同數(shù)量的反射鏡以二維陣列的方式構(gòu)成。控制單元通過控 制兩個(gè)空間光束調(diào)制器上每個(gè)反射鏡的傾斜角，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的離軸照明模式。由于兩個(gè)空 間光束調(diào)制器上的每個(gè)反射鏡的傾斜角都需要通過控制單元單獨(dú)控制，這勢(shì)必增加了系統(tǒng) 的復(fù)雜程度。同時(shí)，當(dāng)相鄰的反射鏡之間有相對(duì)傾斜時(shí)，在反射鏡之間必然存在縫隙，導(dǎo)致 部分光束進(jìn)入縫隙，從而降低了系統(tǒng)的能量利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡。用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡包括前表面平面、后表面自由曲面和側(cè)面圓 柱面，前表面平面與后表面自由曲面通過側(cè)面圓柱面相連接，前表面平面垂直于激光光束 傳播方向，后表面自由曲面用于偏折激光光束；后表面自由曲面包括第一自由曲面、第二自 由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面、第八 自由曲面和圓柱面，第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由 曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面通過圓柱面相連接，后表面自由曲面關(guān) 于坐標(biāo)平面平面xOz和坐標(biāo)平面yOz對(duì)稱；激光光束經(jīng)第一自由曲面、第二自由曲面、第三 自由曲面和第四自由曲面偏折，激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的內(nèi)環(huán)，激光光束經(jīng)第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，激光 光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的外環(huán)；其中，后表面自由曲面的面型由如下公式確定第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面的面型確定公式為 其中 第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面的面型確定公式為
Rmax為激光光束在前表面平面位置處截面的最大半徑，rfflaxl和rminl、rmax2和rmin2分 別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑，W0為前 表面平面上光斑強(qiáng)度為中心強(qiáng)度的Ι/e處的半徑，θ_和θ min為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)位于第 一象限的雙四極光斑的直線邊界與χ軸正向的夾角，(tx，ty，tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)點(diǎn)T 的直角坐標(biāo)，(Θ，外P)為后表面自由曲面上點(diǎn)P的球坐標(biāo)，θ的取值范圍為
,φ 的取值范圍為
Rmax為激光光束在前表面平面Sl位置處截面的最大半徑，rmaxl和rminl、rmax2和rmin2 分別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑，W0為 前表面平面Sl上光斑強(qiáng)度為中心強(qiáng)度的Ι/e處的半徑，θ_和θ min為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi) 位于第一象限的雙四極光斑的直線邊界與χ軸正向的夾角，(tx，ty，tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域 內(nèi)點(diǎn)T的直角坐標(biāo)，(θ，外ρ)為后表面自由曲面S2上點(diǎn)P的球坐標(biāo)，θ的取值范圍為
，識(shí)的取值范圍為
其中

再經(jīng)整理，可得P e和A滿足的關(guān)系式 令 則 得到一個(gè)常微分方程組，初始條件P (0,0) = h。由于上述常微分方程組含有參數(shù)tx、ty和tz，在數(shù)值求解該常微分方程組之前還 需構(gòu)建出后表面自由曲面S2上的點(diǎn)T和目標(biāo)面照明區(qū)域的點(diǎn)P之間的坐標(biāo)關(guān)系。參照?qǐng)D3和圖4所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的能量映射關(guān)系，半徑為Rmax = 6. 5mm的圓形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)環(huán)內(nèi)徑為rminl、外徑為rmaxl，外環(huán)內(nèi)徑為rmin2、外徑為rmax2的雙四極均勻照明區(qū)域，根據(jù)能量守恒 求得目標(biāo)面照明區(qū)域的照度為 假設(shè)目標(biāo)面上內(nèi)環(huán)照明區(qū)域?qū)?yīng)入射激光光束截面上半徑為R1的圓形區(qū)域，根據(jù) 能量守恒 求得 參照?qǐng)D3所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的內(nèi)環(huán)能量映射關(guān)系，假設(shè)半徑為r的圓 形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)徑為rminl、外徑為。的四極均勻照明區(qū) 域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環(huán)對(duì)應(yīng)照明區(qū)域半徑為η的圓環(huán)，根據(jù)能量守恒 2r2 求得r和巧的關(guān)系式 由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強(qiáng)度分布均關(guān)于
平面xOz和平面yOz對(duì)稱，因此可取位于第一象限的區(qū)域進(jìn)行分析。假設(shè)入射激光光束截
面內(nèi)角θ所在的區(qū)域?qū)?yīng)于目標(biāo)面照明區(qū)域角(Q1-Qmin)所在的區(qū)域，根據(jù)能量守恒
求得θ和θ工的關(guān)系式
=^min +
進(jìn)而求得目標(biāo)面照明區(qū)域上點(diǎn)T的坐標(biāo)
15 而r = "xsinp，從而構(gòu)建出點(diǎn)T和點(diǎn)P之間的坐標(biāo)關(guān)系。參照?qǐng)D4所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的外環(huán)能量映射關(guān)系，假設(shè)內(nèi)徑為R1、外徑 為r的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)徑為rmin2、外徑為Γι的四極均勻 照明區(qū)域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環(huán)對(duì)應(yīng)照明區(qū)域半徑為Γι的圓環(huán)，根據(jù)能量 守恒 由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強(qiáng)度分布均關(guān)于 平面xOz和平面yOz對(duì)稱，因此可取位于第一象限的區(qū)域進(jìn)行分析。假設(shè)入射激光光束截 面內(nèi)角θ所在的區(qū)域?qū)?yīng)于目標(biāo)面照明區(qū)域角(Q1-Qmin)所在的區(qū)域，根據(jù)能量守恒
求得目標(biāo)面照明區(qū)域上點(diǎn)τ的坐標(biāo)tx = T1Xcos θ jty = T1Xsin θ j而r = Pxsini3，從而構(gòu)建出點(diǎn)T和點(diǎn)P之間的坐標(biāo)關(guān)系。根據(jù)所構(gòu)建出的點(diǎn)T和點(diǎn)P之間的坐標(biāo)關(guān)系，利用四階龍格_庫(kù)塔法對(duì)常微分方
程組進(jìn)行求解。由于后表面自由曲面S2關(guān)于平面xOz和平面yOz對(duì)稱，可選取位于0 e
的第一自由曲面S2.1和第五自由曲面S2. 5作為求解對(duì)象。首先對(duì)θ的取值區(qū)域按照取 定的步長(zhǎng)進(jìn)行離散化，在每個(gè)離散化值Qi處將Qi視為常數(shù)，將ρ作為變量，然后根據(jù)初始 條件P (0,0) =h利用利用四階龍格-庫(kù)塔法編程求解常微分方程Pp=AO力，約，所求得 的數(shù)據(jù)即為第一自由曲面S2. 1和第五自由曲面S2. 5的面型，最后將第一自由曲面S2. 1和 第五自由曲面S2. 5進(jìn)行平面xOz和平面yOz對(duì)稱即可得到第二自由曲面S2. 2、第三自由曲 面S2. 3、第四自由曲面S2. 4、第六自由曲面S2. 6、第七自由曲面S2. 7、第八自由曲面S2. 8。目標(biāo)面照明區(qū)域雙四極均勻照明模擬效果圖參見圖6(a)，整形過程能量傳輸效率為90. 73%,目標(biāo)面照明區(qū)域照度均勻性為85. 38%。當(dāng)rmaxl = rfflinl = rfflin2時(shí)，目標(biāo)面照明區(qū)域雙四極均勻照明演變成單四極均勻照 明，此時(shí)的自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，采用第一自由曲面S2. 1、第二自由曲面 S2. 2、第三自由曲面S2. 3和第四自由曲面S2. 4構(gòu)成整張后表面自由曲面S2。目標(biāo)面照明 區(qū)域四極均勻照明模擬效果圖參見圖6(b)，整形過程能量傳輸效率為90. 64%,目標(biāo)面照 明區(qū)域照度均勻性為85. 13%。由

圖1和圖5可知，本發(fā)明提出的自由曲面透鏡只包含一個(gè)鏡片，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單。 由模擬結(jié)果可知，本發(fā)明提出的用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡具有極好的整形效 果。光能利用率是在自由曲面透鏡各表面未鍍?cè)鐾改さ那闆r下模擬所得，當(dāng)給自由曲面透 鏡的前表面平面Sl和后表面自由曲面S2均鍍上增透膜時(shí)，光能利用率將更高。在此需明確的是，用于單四極均勻照明的自由曲面透鏡屬于用于雙四極均勻照明 的自由曲面透鏡在rmaxl = rfflinl = rfflin2時(shí)的一種特例，因此用于單四極均勻照明的自由曲面 透鏡包含于用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡，理應(yīng)在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。用于單四極均勻照明的自由曲面透鏡和用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡可 用于光刻曝光系統(tǒng)，有助于降低光刻曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高光刻曝光系統(tǒng)的光能 利用率。
權(quán)利要求
一種用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡，其特征在于包括前表面平面(S1)、后表面自由曲面(S2)和側(cè)面圓柱面(S3)，前表面平面(S1)與后表面自由曲面(S2)通過側(cè)面圓柱面(S3)相連接，前表面平面(S1)垂直于激光光束傳播方向，后表面自由曲面(S2)用于偏折激光光束；后表面自由曲面(S2)包括第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)、第四自由曲面(S2.4)、第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)、第八自由曲面(S2.8)和圓柱面(S2.9)，第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)、第四自由曲面(S2.4)、第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)通過圓柱面(S2.9)相連接，后表面自由曲面(S2)關(guān)于坐標(biāo)平面平面xOz和坐標(biāo)平面yOz對(duì)稱；激光光束經(jīng)第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)偏折，激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的內(nèi)環(huán)，激光光束經(jīng)第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)偏折，激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的外環(huán)；其中，后表面自由曲面(S2)的面型由如下公式確定第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)的面型確定公式為其中第五自由曲面(S2.5)、第六自由曲面(S2.6)、第七自由曲面(S2.7)和第八自由曲面(S2.8)的面型確定公式為其中 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <msub><mi>w</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><mn>2</mn> </mfrac> <mi>ln</mi> <mo>{</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>exp</mi> <mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac> <msup><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>R</mi> </mrow> <mi>max</mi></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>w</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mo>[</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo></mrow> </mfrac> <mo>}</mo></msqrt><mo>,</mo> </mrow>Rmax為激光光束在前表面平面(S1)位置處截面的最大半徑，rmax1和rmin1、rmax2和rmin2分別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑，w0為前表面平面(S1)上光斑強(qiáng)度為中心強(qiáng)度的1/e處的半徑，θmax和θmin為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)位于第一象限的雙四極光斑的直線邊界與x軸正向的夾角，(tx，ty，tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)點(diǎn)T的直角坐標(biāo)，(θ，ρ)為后表面自由曲面(S2)上點(diǎn)P的球坐標(biāo)，θ的取值范圍為
，的取值范圍為[0，π/2)，ρθ和分別為矢徑ρ關(guān)于θ和的偏導(dǎo)數(shù)，nI為自由曲面透鏡的折射率，nO為介質(zhì)的折射率，且nO＜nI，π為圓周率。FSA00000206675500011.tif,FSA00000206675500012.tif,FSA00000206675500013.tif,FSA00000206675500014.tif,FSA00000206675500015.tif,FSA00000206675500021.tif,FSA00000206675500022.tif,FSA00000206675500023.tif,FSA00000206675500024.tif,FSA00000206675500025.tif,FSA00000206675500026.tif,FSA00000206675500027.tif,FSA00000206675500028.tif,FSA00000206675500029.tif,FSA00000206675500031.tif,FSA00000206675500032.tif,FSA00000206675500033.tif,FSA00000206675500034.tif,FSA00000206675500036.tif,FSA00000206675500037.tif,FSA00000206675500038.tif,FSA00000206675500039.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于雙四極均勻照明的自由曲面透鏡。前表面平面與后表面自由曲面通過側(cè)面圓柱面相連接，前表面平面垂直于激光光束傳播方向，后表面自由曲面用于偏折激光光束；第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面通過圓柱面相連接，激光光束經(jīng)第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面偏折，在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的內(nèi)環(huán)，激光光束經(jīng)第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，在目標(biāo)面上的照明區(qū)域?qū)?yīng)雙四極均勻照明中的外環(huán)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單；整形效果好，能量利用率高。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101916044SQ20101023795
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者劉旭, 吳仍茂, 廖志杰, 李海峰, 林嫵媚, 邢莎莎, 鄭臻榮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué);中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所