浸沒式光刻系統中光束擴束系統的設計

李美萱，王美嬌

長春理工大學光電信息學院

浸沒式光刻系統中光束擴束系統的設計

李美萱，王美嬌

長春理工大學光電信息學院

在超大規模集成電路中，為了滿足45nm節點光刻曝光光學系統對高分辨率的要求，設計了一種光束擴束系統，用于提高照明系統的均勻性。由于準分子激光器在水平和垂直方向上光束發散角有較大差異，從激光器到照明系統的傳輸光路最長達20m，垂直方向激光最大發散角達到2.1mrad，若不對出射的激光束進行準直，則激光傳輸20m后，激光光斑尺寸將達到54.5mm以上，這對后續的系統設計都是不利的，因而必須首先對激光器出射光束進行準直，然后再傳輸。通過調節X向柱面鏡與Y向柱面鏡之間的距離，即第一光學面（球面鏡前表面）到Y方向柱面鏡后表面距離調整為122.058mm時消除了這種影響，保證輸出光束滿足指標要求。

浸沒式光刻；光束擴束；光學設計

引言

自70年代IC誕生至今,短短幾十年,經歷了從小規模到超大規模和特大規模集成電路的發展階段[1]。隨著對超大規模集成電路器件的迫切需求，微電子光學光刻技術得到飛速發展。

集成電路（IC）是將大量的二極管、三極管、電阻電容等元件，利用半導體工藝級聯封裝在一塊單晶硅片上，實現特定功能的電子線路，它廣泛應用于各種電子設備之中[2]。自20世紀80年代，16兆DRAM的產生，標志著世界開始進入超大規模集成電路（VL?SI）階段，VSLI成為所有高科技領域發展的基礎[3]。浸沒式光刻照明系統是超大規模集成電路的主要器件[4]。為掩模面提供均勻照明是光刻照明系統主要功能，傳統的勻光單元主要利用像差勻光、非球面透鏡勻光、棱鏡勻光、透鏡陣列勻光、菲涅爾透鏡勻光、積分棒勻光和反射鏡勻光[5]。采用以上勻光方式對照明系統進行仿真發現掩膜面上不同照明模式的均勻性在96%-98%之間，良好的照明均勻性能夠獲得高分辨率[6]。反之，如果照明均勻性較差，那么會造成各個視場分辨率存在差異，曝光線條的粗細不一致，嚴重影響光刻機的性能[7]。本論文設計由復眼透鏡、復眼聚光鏡、均勻性補償器和耦合鏡組構成的勻光系統可使系統在傳統照明和離軸照明模式下對掩膜面的非均勻性均低于0.5%，對改善最終的曝光質量具有重要的意義[8]。

1 光束擴束系統設計要求

擴束系統光學設計要求如下，入射激光光束尺寸：12.5mm× 12.8mm（含光斑位置漂移最大值）；入射激光發散角：2.1mrad× 1.1mrad（含光束指向漂移最大值）；光束傳輸距離：5m～20m可調；擴束后Y向光斑尺寸：20mm≤y≤30mm；X、Y兩個方向光斑尺寸比值：0.7≤x/y≤1；X、Y兩個方向光束發散角：≤2mrad；X、Y兩個方向光束發散角之差：θx-θy≤1mrad。

2 光束擴束系統設計

在設計中準分子激光器輸出光束的橫截面為近似正方形，為了使激光光束的傳播距離改變時易于調節出射角度，可采用一組負光焦度柱面鏡先進行擴束，再用一正光焦度球面鏡對水平方向和垂直方向進行準直。

采用的方案為：三片式的結構，包含兩片柱面鏡和一片球面鏡，兩片柱面鏡光焦度分別為垂直方向和水平方向，將球面鏡和兩片柱面鏡組合，分別實現對垂直和水平方向進行準直擴束。考慮到后續用于照明模式變換的衍射元件的口徑不能太大，最終設計目標光束口徑為28.5mm×28.5mm，發散角差<1mrad。

激光傳輸距離在5米～20米范圍內變化時，通過調節兩組柱面鏡組和球面鏡之間的間隔來保證輸出光束尺寸和發散角滿足設計指標要求。

當激光傳輸距離在5米～20米范圍內變化時，不需要調透鏡間隔，即可保證輸出激光光束口徑和發散角滿足設計指標要求。

3 結論

對X方向和Y方向擴束整形系統分開進行設計，水平方向放大倍率為2.235倍，垂直方向放大倍率為2.297倍，水平方向最終發散角為1mrad，垂直方向最終發散角為1.8mrad，激光傳輸距離在5米～20米范圍內變化時，不需要調透鏡間隔，保證目標光束口徑在28±0.5mm范圍內，Y向柱面鏡到球面鏡前表面距離為121.50mm，X向柱面鏡到球面鏡前表面距離為117.845mm。

將設計好的X方向和Y方向擴束整形系統進行組合，發現X柱面鏡對Y方向的擴束整形結果有影響，通過調節X向柱面鏡與Y向柱面鏡之間的距離，即第一光學面（球面鏡前表面）到Y方向柱面鏡后表面距離調整為122.058mm時消除了這種影響，保證輸出光束滿足指標要求。

設計的擴束整形系統結構圖如下，球面鏡和柱面鏡X組合實現對激光光束X方向進行擴束整形，球面鏡和柱面鏡Y組合實現對激光光束Y方向進行擴束整形。

圖1 擴束整形系統設計結果

該系統的優點：激光傳輸距離在5米～20米范圍內變化時，不需要調透鏡間隔，保證目標光束口徑在28.5±0.5mm范圍內，X方向發散角為1.0mrad，Y方向發散角為1.8mrad。

[1]肖艷芬，朱菁，楊寶喜.用于光刻機照明均勻化的微柱面鏡陣列設計[J].中國激光，2013,40（2）：0216001

[2]宋強，朱菁，王健.基于混合梯度下降的高性能光刻機離軸照明衍射光學元件設計[J].光學學報，2015，35（1）：0122005

[3]胡中華，楊寶喜，朱菁.用于投影光刻機光瞳整形的衍射光學元件設計[J].中國激光，2013,40（6）：0616001

[4]張巍,鞏巖.投影光刻離軸照明用衍射光學元件設計[J].光學精密工程,2008,16（11）:2081-2086.

[5]趙陽,鞏巖.深紫外光刻照明系統光束整形單元的設計[J].光學精密工程，2011，19（1）：29-34

[6]趙陽,鞏巖.提高深紫外光刻照明系統擴束單元光束均勻性的方法[J].光學學報，2012，32（8）：0822004

[7]張巍，鞏巖.投影光刻離軸照明用衍射光學元件設計[J].光學精密工程，2008,16（11）:2081-2086.

[8]張巍.“神光”裝置大尺寸衍射光學元件設計及其應用研究[D].博士學位論文1.中國科學技術大學物理系，2007.