浸沒式光刻系統(tǒng)中光束擴束系統(tǒng)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(tǒng)中光束擴束系統(tǒng)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(guī)模集成電路中，為了滿足45nm節(jié)點光刻曝光光學系統(tǒng)對高分辨率的要求，設計了一種光束擴束系統(tǒng)，用于提高照明系統(tǒng)的均勻性。由于準分子激光器在水平和垂直方向上光束發(fā)散角有較大差異，從激光器到照明系統(tǒng)的傳輸光路最長達20m，垂直方向激光最大發(fā)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(xù)的系統(tǒng)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(jié)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(guī)模到超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路的發(fā)展階段[1]。隨著對超大規(guī)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(fā)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(guī)模集成電路（VL?SI）階段，VSLI成為所有高科技領域發(fā)展的基礎[3]。浸沒式光刻照明系統(tǒng)是超大規(guī)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(tǒng)主要功能，傳統(tǒng)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(tǒng)進行仿真發(fā)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(tǒng)可使系統(tǒng)在傳統(tǒng)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(tǒng)設計要求

擴束系統(tǒng)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(fā)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(fā)散角：≤2mrad；X、Y兩個方向光束發(fā)散角之差：θx-θy≤1mrad。

2 光束擴束系統(tǒng)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(jié)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?？紤]到后續(xù)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(fā)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(jié)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)散角為1mrad，垂直方向最終發(fā)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(tǒng)進行組合，發(fā)現X柱面鏡對Y方向的擴束整形結果有影響，通過調節(jié)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(tǒng)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(tǒng)設計結果

該系統(tǒng)的優(yōu)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(fā)散角為1.0mrad，Y方向發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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.