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
技術領域：
本發明涉及光刻技術領域，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：
隨著半導體技術的發展和芯片集成度的提高，光刻工藝不斷向前發展并一再突破 分辨率極限，如何進一步提高投影光刻系統的分辨率和焦深，提高投影光刻機的性能成了 關注的熱點。縮短曝光波長、增大投影物鏡的數值孔徑、減小工藝因子都可達到提高分辨率 的目的，但同時又制約了焦深的增大。采用分辨率增強技術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中常采用的一種分辨率增強技術。常見的離軸照 明模式有環形均勻照明、偶極均勻照明、四極均勻照明等。實現離軸照明最簡單的方法是， 將一個形狀和尺寸與預定的照明模式一致的光闌置于光學積分器的后表面，透過光闌的光 束在目標面上便形成預定的離軸照明模式。由于存在對光束的阻擋，該方法能量利用率較 低。另一種方法是采用光學衍射元件(DOE)來實現離軸照明。光束經光學衍射元件作用后 直接在目標面產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，想通過衍射光學元 件進一步提高能量利用率是十分困難的。美國專利US20090135392A1提出了一種用于曝光裝置中實現離軸照明的空間光 束調制單元。該種空間光束調制單元由依次放置于光束傳播方向上的兩個空間光束調制器 組成，每個空間光束調制器由相同數量的反射鏡以二維陣列的方式構成。控制單元通過控 制兩個空間光束調制器上每個反射鏡的傾斜角，來實現相應的離軸照明模式。由于兩個空 間光束調制器上的每個反射鏡的傾斜角都需要通過控制單元單獨控制，這勢必增加了系統 的復雜程度。同時，當相鄰的反射鏡之間有相對傾斜時，在反射鏡之間必然存在縫隙，導致 部分光束進入縫隙，從而降低了系統的能量利用率。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，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面圓 柱面，前表面平面與后表面自由曲面通過側面圓柱面相連接，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 于坐標平面平面xOz和坐標平面yOz對稱；激光光束經第一自由曲面、第二自由曲面、第三 自由曲面和第四自由曲面偏折，激光光束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的內環，激光光束經第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，激光 光束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的外環；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 別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，W0為前 表面平面上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑，θ_和θ min為目標面照明區域內位于第 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)為目標面照明區域內點T 的直角坐標，(Θ，外P)為后表面自由曲面上點P的球坐標，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 分別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，W0為 前表面平面Sl上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑，θ_和θ min為目標面照明區域內 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)為目標面照明區域 內點T的直角坐標，(θ，外ρ)為后表面自由曲面S2上點P的球坐標，θ的取值范圍為
，識的取值范圍為
其中

再經整理，可得P e和A滿足的關系式 令 則 得到一個常微分方程組，初始條件P (0,0) = h。由于上述常微分方程組含有參數tx、ty和tz，在數值求解該常微分方程組之前還 需構建出后表面自由曲面S2上的點T和目標面照明區域的點P之間的坐標關系。參照圖3和圖4所示的本發明的自由曲面透鏡的能量映射關系，半徑為Rmax = 6. 5mm的圓形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內環內徑為rminl、外徑為rmaxl，外環內徑為rmin2、外徑為rmax2的雙四極均勻照明區域，根據能量守恒 求得目標面照明區域的照度為 假設目標面上內環照明區域對應入射激光光束截面上半徑為R1的圓形區域，根據 能量守恒 求得 參照圖3所示的本發明的自由曲面透鏡的內環能量映射關系，假設半徑為r的圓 形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內徑為rminl、外徑為。的四極均勻照明區 域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環對應照明區域半徑為η的圓環，根據能量守恒 2r2 求得r和巧的關系式 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度分布均關于
平面xOz和平面yOz對稱，因此可取位于第一象限的區域進行分析。假設入射激光光束截
面內角θ所在的區域對應于目標面照明區域角(Q1-Qmin)所在的區域，根據能量守恒
求得θ和θ工的關系式
=^min +
進而求得目標面照明區域上點T的坐標
15 而r = "xsinp，從而構建出點T和點P之間的坐標關系。參照圖4所示的本發明的自由曲面透鏡的外環能量映射關系，假設內徑為R1、外徑 為r的環形區域內的激光光束經整形后在目標面上形成內徑為rmin2、外徑為Γι的四極均勻 照明區域，也即是在光束截面上半徑為r的圓環對應照明區域半徑為Γι的圓環，根據能量 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度分布均關于 平面xOz和平面yOz對稱，因此可取位于第一象限的區域進行分析。假設入射激光光束截 面內角θ所在的區域對應于目標面照明區域角(Q1-Qmin)所在的區域，根據能量守恒
求得目標面照明區域上點τ的坐標tx = T1Xcos θ jty = T1Xsin θ j而r = Pxsini3，從而構建出點T和點P之間的坐標關系。根據所構建出的點T和點P之間的坐標關系，利用四階龍格_庫塔法對常微分方
程組進行求解。由于后表面自由曲面S2關于平面xOz和平面yOz對稱，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作為求解對象。首先對θ的取值區域按照取 定的步長進行離散化，在每個離散化值Qi處將Qi視為常數，將ρ作為變量，然后根據初始 條件P (0,0) =h利用利用四階龍格-庫塔法編程求解常微分方程Pp=AO力，約，所求得 的數據即為第一自由曲面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進行平面xOz和平面yOz對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。目標面照明區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%,目標面照明區域照度均勻性為85. 38%。當rmaxl = rfflinl = rfflin2時，目標面照明區域雙四極均勻照明演變成單四極均勻照 明，此時的自由曲面透鏡的結構示意圖如圖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構成整張后表面自由曲面S2。目標面照明 區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%,目標面照 明區域照度均勻性為85. 13%。由

圖1和圖5可知，本發明提出的自由曲面透鏡只包含一個鏡片，結構緊湊、簡單。 由模擬結果可知，本發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增透膜的情況下模擬所得，當給自由曲面透 鏡的前表面平面Sl和后表面自由曲面S2均鍍上增透膜時，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，理應在本發明的權利要求范圍內。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，有助于降低光刻曝光系統結構的復雜程度，提高光刻曝光系統的光能 利用率。
權利要求
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)和側面圓柱面(S3)，前表面平面(S1)與后表面自由曲面(S2)通過側面圓柱面(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)關于坐標平面平面xOz和坐標平面yOz對稱；激光光束經第一自由曲面(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，激光光束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的內環，激光光束經第五自由曲面(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，激光光束在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的外環；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分別為目標面上雙四極均勻照明光斑的內環區域和外環區域的最大外徑和最小內徑，w0為前表面平面(S1)上光斑強度為中心強度的1/e處的半徑，θmax和θmin為目標面照明區域內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)為目標面照明區域內點T的直角坐標，(θ，ρ)為后表面自由曲面(S2)上點P的球坐標，θ的取值范圍為
，的取值范圍為[0，π/2)，ρθ和分別為矢徑ρ關于θ和的偏導數，nI為自由曲面透鏡的折射率，nO為介質的折射率，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，在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的內環，激光光束經第五自由曲面、第六自由曲面、第七自由曲面和第八自由曲面偏折，在目標面上的照明區域對應雙四極均勻照明中的外環。本發明結構緊湊、簡單；整形效果好，能量利用率高。
文檔編號G03F7/20GK101916044SQ20101023795
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者劉旭, 吳仍茂, 廖志杰, 李海峰, 林嫵媚, 邢莎莎, 鄭臻榮 申請人:浙江大學;中國科學院光電技術研究所