李美萱,闞曉婷，王美嬌，李 博

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 量子信息技術(shù)交叉學(xué)科研究院,吉林 長(zhǎng)春 130052；3.吉林省量子信息技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130052)

1 引 言

照明系統(tǒng)在浸沒(méi)式光刻曝光系統(tǒng)中具有重要的作用,隨著光刻分辨力不斷提高,要求更短的波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑不斷增大,對(duì)照明系統(tǒng)的性能要求也不斷提高。高質(zhì)量的照明系統(tǒng)對(duì)提高整個(gè)光刻機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用,能夠保證在光刻系統(tǒng)掩模面上具有高均勻性照明、控制曝光劑量以及實(shí)現(xiàn)不同照明模式。NA1.35浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)是超大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備,ArF激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)一系列模塊傳輸后到達(dá)掩模面,其能量應(yīng)該滿足光刻曝光系統(tǒng)的要求[1-6]。在激光器與照明系統(tǒng)之間有一段傳輸光路,通過(guò)多個(gè)轉(zhuǎn)折反射鏡將激光束引入照明系統(tǒng)?，F(xiàn)有的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束設(shè)計(jì)方法比較多樣,例如對(duì)于單波長(zhǎng)激光采用變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7],對(duì)于多波長(zhǎng)也采用了新型擴(kuò)束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8-10]等。

對(duì)于NA1.35浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),由于其特殊結(jié)構(gòu)的布局要求,即采用多個(gè)轉(zhuǎn)折反射鏡以實(shí)現(xiàn)激光光束束與照明系統(tǒng)準(zhǔn)確對(duì)接,使激光器與照明系統(tǒng)的相對(duì)安裝位置具有最大的靈活性[11]。其傳輸光路的最大長(zhǎng)度為20 m,其間最多可以布置5個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為了避免激光器工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和電磁輻射對(duì)光刻機(jī)主機(jī)的影響和光刻機(jī)對(duì)環(huán)境較高的要求,應(yīng)該將激光器與照明系統(tǒng),即光刻機(jī)主機(jī)長(zhǎng)距離分開(kāi)光束傳輸管道與光束擴(kuò)束、穩(wěn)定腔壁及光瞳整形系統(tǒng)腔壁密封相連,并充過(guò)壓氮?dú)?使光束傳輸過(guò)程穩(wěn)定無(wú)污染。

本文針對(duì)浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)的要求,在研究浸沒(méi)式光刻高均勻性照明系統(tǒng)的理論和設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了高均勻性照明系統(tǒng)的各模塊的設(shè)計(jì)方案選擇和對(duì)應(yīng)的參數(shù)計(jì)算,然后完成對(duì)應(yīng)的光束傳輸光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的仿真分析。文中結(jié)合柱面透鏡的特殊性質(zhì),采用球面鏡和柱面鏡組合的光學(xué)結(jié)構(gòu),進(jìn)行了激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析。包括光學(xué)設(shè)計(jì)部分和光學(xué)元件參數(shù)之間的公差分析,研究結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足光束在傳輸范圍為5～20 m的光路范圍內(nèi),不需要進(jìn)行透鏡間隔的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)光斑大小和發(fā)散角滿足設(shè)計(jì)要求,完成了光束傳輸系統(tǒng)中的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。本文的研究成果對(duì)浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程化具有重要的應(yīng)用意義和工程參考價(jià)值。

2 浸沒(méi)式光刻機(jī)中的照明系統(tǒng)

浸沒(méi)式光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)模型如圖1所示,照明系統(tǒng)由光束整形單元、照明模式變換單元、勻光單元等部件組成。根據(jù)浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求,掩模面的光束數(shù)值孔徑NA、掩模尺寸和衍射元件的尺寸是已知的。于是,從掩模面的要求出發(fā),分析擴(kuò)束傳輸光路、照明模式變換組件、復(fù)眼和復(fù)眼會(huì)聚鏡以及耦合光組各部分之間的相互關(guān)系,尤其是激光器的發(fā)散角對(duì)擴(kuò)束傳輸光路的設(shè)計(jì),影響著擴(kuò)束系統(tǒng)倍率取值的大小,激光器位置穩(wěn)定性和指向穩(wěn)定性也直接影響著光刻照明系統(tǒng)中后續(xù)穩(wěn)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于柱面鏡特殊成像性質(zhì)和物像對(duì)應(yīng)關(guān)系[12],根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用一片球面鏡和兩片平凸柱面鏡結(jié)合的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the optical system

3 光束傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和要求

考慮到激光傳輸時(shí)的位置穩(wěn)定性和指向穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)擴(kuò)束整形系統(tǒng)時(shí)輸入?yún)?shù)和輸出要求如表1所示。

表1 擴(kuò)束整形系統(tǒng)要求

(1)

(2)

(3)

表2 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)高斯結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出,在原理上該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)激光傳輸距離在5～20 m范圍內(nèi)變化時(shí),不需要調(diào)透鏡間隔,可保證輸出激光光束口徑和發(fā)散角滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果和分析

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

對(duì)X方向和Y方向擴(kuò)束整形系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì),水平方向放大倍率為2.07倍,垂直方向放大倍率為2.15倍,水平方向最終發(fā)散角為1.2 mrad,垂直方向最終發(fā)散角為1.84 mrad,激光傳輸距離在5～20 m范圍內(nèi)變化時(shí),不需要調(diào)透鏡間隔,保證目標(biāo)光束口徑在(28.5±0.1)mm范圍內(nèi),第一光學(xué)面(球面鏡前表面)到X方向柱面鏡后表面距離為122.06 mm,第一光學(xué)面到Y(jié)方向柱面鏡后表面距離為130.95 mm。

然后將設(shè)計(jì)好的X方向和Y方向擴(kuò)束整形系統(tǒng)進(jìn)行整合,發(fā)現(xiàn)X柱面鏡對(duì)Y柱面鏡的擴(kuò)束整形結(jié)果有影響,通過(guò)調(diào)節(jié)X向柱面鏡與Y向柱面鏡之間的距離,即第一光學(xué)面到Y(jié)方向柱面鏡后表面距離調(diào)整為131.96 mm時(shí)消除了這種影響,保證輸出光束滿足指標(biāo)要求。設(shè)定整個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)在給定公差條件下口徑允許變化1 mm,發(fā)散角變化0.1 mrad,進(jìn)行分差分配,根據(jù)誤差分配,每個(gè)誤差源引起的口徑變化為0.18 mm,引起的發(fā)散角變化為0.018 mrad,按此原則給出相應(yīng)公差,設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

該擴(kuò)束整形系的結(jié)構(gòu)如圖2所示,通過(guò)采用球面鏡和柱面鏡X組合實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束X方向進(jìn)行擴(kuò)束整形,采用球面鏡和柱面鏡Y組合實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束Y方向進(jìn)行擴(kuò)束整形。

圖2 擴(kuò)束整形系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Optical structure of collimating beam expander

Mirror groupR/mmCenter distanced ΔdMaterialAperture NAperture ΔNEccentric difference/(″)RMS/nmD/mm1-38.21163.000.02CaF220.3151-38.2116-123.5327116.060.0230.315-123.53272∞3.000.05CaF2PV≤λ/6RMS≤λ/30100.52∞-116.06566.900.0220.310-116.06563∞3.000.05CaF2PV≤λ/6RMS≤λ/30100.53∞-120.16805～20 m0.3100.5-120.1680

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

從之前的分析和設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出,系統(tǒng)能夠滿足照明系統(tǒng)不用改變距離依然實(shí)現(xiàn)傳輸光路在5～20 m可調(diào)的要求。因此,在進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮不同傳輸距離時(shí)光束口徑的變化。為實(shí)現(xiàn)不同傳輸距離狀態(tài)下,其光束口徑在(28.5±0.5)mm范圍內(nèi),X向光束和Y向光束在目標(biāo)面上的光束口徑如圖3所示,其中X和Y分別代表X方向和Y方向。

X向光束和Y向光束在目標(biāo)面上的發(fā)散角分別如圖4(a)和(b)所示,其中R1光線指視場(chǎng)主光線,R2光線和R3光線指視場(chǎng)邊緣光線。

然后,利用ASAP軟件對(duì)光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)的光線進(jìn)行追跡,對(duì)在傳輸5 m和20 m位置處的光斑大小進(jìn)行仿真,其能量分布分別如圖5(a)和(b)所示。

圖3 擴(kuò)束系統(tǒng)口徑變化曲線Fig.3 Diameter change curve for beam expander system

圖4 擴(kuò)束系統(tǒng)X和Y方向光線發(fā)散角Fig.4 Diverpence angle of X and Y direction for beam expander system

圖5 激光傳輸能量分布圖Fig.5 Energy distribution for beam expander system

由圖5仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)激光的傳輸距離為5 m時(shí),光斑大小為28.04 mm×28.34 mm；當(dāng)傳輸20 m遠(yuǎn)時(shí),光斑大小為28.32 mm×28.22 mm。

因此,由設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出,當(dāng)光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)傳輸范圍為5～20 m時(shí),X方向光斑大小為28.04～28.32 mm,Y方向光斑大小為28.34～28.22 mm,光般尺寸滿足設(shè)計(jì)要求；X方向激光發(fā)散角為1.2 mrad,Y方向激光發(fā)散角為1.84 mrad,也均滿足設(shè)計(jì)要求(<2 mrad)。

3.3 公差分析

對(duì)于設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng),必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析,以保證在加工和裝調(diào)完成后光束的發(fā)散角和口徑滿足設(shè)計(jì)要求,其中口徑包括X方向口徑和Y方向口徑,發(fā)散角包括X向發(fā)散角和Y向發(fā)散角。表4為系統(tǒng)公差及影響結(jié)果分析。

表4 公差及影響結(jié)果分析

兩個(gè)柱面鏡的前表面是平面,所以這兩個(gè)平面曲率半徑的變化對(duì)口徑和發(fā)散角影響很小,同時(shí)X向柱面和Y向柱面相互不影響。

3.4 測(cè)量結(jié)果分析

在完成光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工之后,完成樣機(jī)研制,最后對(duì)系統(tǒng)形成的光斑進(jìn)行測(cè)試。由于193 nm紫外激光波長(zhǎng)本身是不可見(jiàn)的,因此,考慮采用He-Ne激光器代替進(jìn)行檢測(cè)。在不同位置處放置靶面進(jìn)行光斑尺寸的測(cè)量,激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束器以及激光傳輸管道分別如圖6(a)、(b)、(c)所示,光斑大小的測(cè)量結(jié)果如表5所示。

圖6 激光傳輸裝置圖Fig.6 Diagram of Laser transmission device

從表5可以看出,在不同測(cè)量位置光斑尺寸比較接近,在5～20 m測(cè)量范圍內(nèi)的光斑大小均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 實(shí)際測(cè)量光斑

4 結(jié) 論

激光光束傳輸系統(tǒng)是浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,對(duì)光刻機(jī)性能起到關(guān)鍵性作用。針對(duì)NA1.35激光器在浸沒(méi)式光刻照明系統(tǒng)中的要求,結(jié)合柱面鏡的成像特點(diǎn),提出了采用球面鏡和柱面鏡組合的光學(xué)結(jié)構(gòu),進(jìn)行了激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和公差分析表明該設(shè)計(jì)能夠滿足當(dāng)光束在5～20 m傳輸距離范圍內(nèi)不用進(jìn)行間隔的調(diào)整也能滿足成像光斑尺寸和發(fā)散角的要求。在不同的傳輸距離范圍內(nèi)即5～20 m時(shí),光斑尺寸控制在25～30 mm范圍內(nèi),激光發(fā)散角在X方向激光發(fā)散角為1.2 mrad,Y方向激光發(fā)散角為1.84 mrad,也均滿足設(shè)計(jì)要求(<2 mrad)。光斑尺寸和激光發(fā)散角都能滿足設(shè)計(jì)要求。公差的分析結(jié)果也表明了該系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下允許較寬松的加工容限,同時(shí)表明了該系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值。