CN101936504A - 一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置，包括沿光束传播方向依次放置的自由曲面微透镜阵列1和聚光透镜组2；自由曲面微透镜阵列1由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，每个自由曲面透镜单元U形状相同，自由曲面微透镜阵列1的前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面，自由曲面微透镜阵列1包括偶极照明的自由曲面微透镜阵列和四极照明的自由曲面微透镜阵列；聚光透镜组2由至少一个聚光透镜组成；激光束经自由曲面微透镜阵列1偏折后成像于无穷远，再经聚光透镜组2作用后，出射光束成像于聚光透镜组2的后焦面。本发明结构紧凑、简单；整形效果好，能量利用率高；实用性强，应用范围广。

Description

一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置。

背景技术

随着半导体技术的发展和芯片集成度的提高，光刻工艺不断向前发展并一再突破分辨率极限，如何进一步提高投影光刻***的分辨率和焦深，提高投影光刻机的性能成了关注的热点。缩短曝光波长、增大投影物镜的数值孔径、减小工艺因子都可达到提高分辨率的目的，但同时又制约了焦深的增大。采用分辨率增强技术是解决上述问题的主要途径之一。

离轴照明是近年来投影光刻***中常采用的一种分辨率增强技术。常见的离轴照明模式有环形均匀照明、偶极均匀照明、四极均匀照明等。实现离轴照明最简单的方法是，将一个形状和尺寸与预定的照明模式一致的光阑置于光学积分器的后表面，透过光阑的光束在目标面上便形成预定的离轴照明模式。由于存在对光束的阻挡，该方法能量利用率较低。另一种方法是采用光学衍射元件(DOE)来实现离轴照明。光束经光学衍射元件作用后直接在目标面产生所需的离轴照明模式，因而大大提高了能量利用率。然而，衍射光学元件存在一定的衍射效率，且衍射效率与DOE加工工艺有一定的制约，因此，想通过衍射光学元件进一步提高能量利用率是十分困难的。

美国专利US20090135392A1提出了一种用于曝光装置中实现离轴照明的空间光束调制单元。该种空间光束调制单元由依次放置于光束传播方向上的两个空间光束调制器组成，每个空间光束调制器由相同数量的反射镜以二维阵列的方式构成。控制单元通过控制两个空间光束调制器上每个反射镜的倾斜角，来实现相应的离轴照明模式。由于两个空间光束调制器上的每个反射镜的倾斜角都需要通过控制单元单独控制，这势必增加了***的复杂程度。同时，当相邻的反射镜之间有相对倾斜时，在反射镜之间必然存在缝隙，导致部分光束进入缝隙，从而降低了***的能量利用率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置。

用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置包括沿光束传播方向依次放++置的自由曲面微透镜阵列和聚光透镜组；自由曲面微透镜阵列由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元构成，每个自由曲面透镜单元形状相同，自由曲面微透镜阵列的前表面为平面，后表面为自由曲面，自由曲面微透镜阵列包括偶极照明的自由曲面微透镜阵列和四极照明的自由曲面微透镜阵列；聚光透镜组由至少一个聚光透镜组成；激光束经自由曲面微透镜阵列偏折后成像于无穷远，再经聚光透镜组作用后，出射光束成像于聚光透镜组的后焦面。

偶极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元的前表面为平面，后表面由并排放置的第一自由曲面和第二自由曲面构成；第二由曲面可由第一自由曲面对称得到，第一自由曲面的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝D_x×x/(L_x×f)，

L_x为自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上偶极光斑在x轴方向上的长度，D_y为目+标面上偶极光斑在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组的焦距，Y_min为目标面上偶极照明光斑的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元材料的折射率；z′_x为第一自由曲面上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

四极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元的前表面为平面，后表面由第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面、第一平面、第二平面、第三平面和第四平面构成；第二自由曲面、第三自由曲面和第四自由曲面可由第一自由曲面绕光轴旋转得到，第一自由曲面的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝(2D_x×x/L_x+X_min)/f，

L_x为自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上四极光斑在x轴方向上的长度，D_y为目标面上四极光斑在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组的焦距，X_min为目标面上四极照明光斑的左边缘对应的横坐标，Y_min为目标面上四极照明光斑的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元材料的折射率；z′_x为第一自由曲面上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置具有极高的能量利用率，用于光刻***有助于提高光刻***整体的能量利用率；

2)本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置适用于从紫外到红外波段的激光光束整形；

3)本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的整形效果受入射激光束强度分布影响小，适用性强；

4)本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置同样适用于其他领域对激光光束的整形，应用范围广。

附图说明

图1为用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的结构示意图；

图2为用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的光学原理图；

图3为用于光刻多极照明的自由曲面透镜单元U的设计原理图；

图4(a)为用于光刻偶极照明的自由曲面透镜单元U的截面图；

图4(b)为目标面上预定的偶极照明光斑；

图5为实现偶极照明所采用的对应关系图；

图6为实现偶极照明的自由曲面透镜单元U的模型；

图7为实现偶极照明的自由曲面微透镜阵列1的模型；

图8为目标面上的偶极照明光斑；

图9(a)为用于光刻四极照明的自由曲面透镜单元U的截面图；

图9(b)为目标面上预定的四极照明光斑；

图10为实现四极照明所采用的对应关系图；

图11为实现四极照明模式一的自由曲面透镜单元U的模型；

图12为实现四极照明模式一的自由曲面微透镜阵列1的模型；

图13为目标面上的四极照明光斑；

图14为实现四极照明模式二的自由曲面透镜单元U的模型；

图15为实现四极照明模式二的自由曲面微透镜阵列1的模型；

图16为目标面上的四极照明光斑；

图17为实现四极照明模式三的自由曲面透镜单元U的模型；

图18为实现四极照明模式三的自由曲面微透镜阵列1的模型；

图19为目标面上的四极照明光斑；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细阐述。

如图1所示，用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置，包括沿光束传播方向依次放置的自由曲面微透镜阵列1和聚光透镜组2；自由曲面微透镜阵列1由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，每个自由曲面透镜单元U形状相同，自由曲面微透镜阵列1的前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面，自由曲面微透镜阵列1包括偶极照明的自由曲面微透镜阵列和四极照明的自由曲面微透镜阵列；聚光透镜组2由至少一个聚光透镜组成；激光束经自由曲面微透镜阵列1偏折后成像于无穷远，再经聚光透镜组2作用后，出射光束成像于聚光透镜组2的后焦面。

所述的偶极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S2.1为平面，后表面S2.2由并排放置的第一自由曲面S2.2.1和第二自由曲面S2.2.2构成；第二由曲面S2.2.2可由第一自由曲面S2.2.1对称得到，第一自由曲面S2.2.1的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝D_x×x/(L_x×f)，

L_x为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上偶极光斑I在x轴方向上的长度，D_y为目标面上偶极光斑I在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组2的焦距，Y_min为目标面上偶极照明光斑I的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元U周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元U材料的折射率；z′_x为第一自由曲面S2.2.1上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面S2.2.1上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

所述的四极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S3.1为平面，后表面S3.2由第一自由曲面S3.2.1、第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3、第四自由曲面S3.2.4、第一平面S3.2.5、第二平面S3.2.6、第三平面S3.2.7和第四平面S3.2.8构成；第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3和第四自由曲面S3.2.4可由第一自由曲面S3.2.1绕光轴旋转得到，第一自由曲面S3.2.1的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝(2D_x×x/L_x+X_min)/f，

L_x为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上四极光斑I在x轴方向上的长度，D_y为目标面上四极光斑I在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组2的焦距，X_min为目标面上四极照明光斑I的左边缘对应的横坐标，Y_min为目标面上四极照明光斑I的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元U周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元U材料的折射率；z′_x为第一自由曲面S3.2.1上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面S3.2.1上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

实施例

下面将详细描述本发明的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的实现过程。

图2为用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的光学原理图。目标照明面位于聚光透镜组2的后焦面，入射激光光束经自由曲面微透镜阵列1偏折后产生不同方向的出射光束，具有相同方向的出射光束经聚光透镜组2后交于目标面上同一点。如图所示，出射光束中光线1和光线3、光线2和光线4分别具有相同的方向，经聚光透镜组2后光线1和光线3入射至目标面上A₁点，光线2和光线4入射至目标面上B₁点。由此可知，实现用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置的关键是设计自由曲面微透镜阵列1，而实现自由曲面微透镜阵列1的关键是设计满足目标面多极照明要求的自由曲面透镜单元U。

图3为自由曲面透镜单元U设计原理图。入射光束中一条任意光线经自由曲面透镜单元U的前表面后入射至后表面上P点，其出射光线再经聚光透镜组2最后入射至目标面照明区域内T点。为便于设计和加工，自由曲面透镜单元U的前表面取为平面。因此，自由曲面透镜单元U的设计重点是寻求满足目标面照明要求的自由曲面透镜单元U的后表面自由曲面。

按图3所示建立直角坐标系，令P点的坐标为(x，y，z)，且z＝z(x，y)，也即自由曲面透镜单元U的后表面自由曲面的方程为z＝z(x，y)。由多元微分学知识可知，后表面上任意点P处的法线的单位向量

可表示为

$\stackrel{\→}{N}=\frac{1}{\sqrt{z_x^{\′2}+z_y^{\′2}+1}}(z_x^{\′},z_y^{\′},-1)---\left(1\right)$

其中，z′_x和z′_y分别为P点的z坐标关于x和y的一阶偏导数。

根据自由曲面透镜单元U的后表面上P点处的入射光线的单位方向向量和出射光线的单位方向向量

由折射定律可得

$n_o\×\stackrel{\→}{O}-n_I\×\stackrel{\→}{I}=[{n_o}^2+{n_I}^2-2\×n_o\×n_I\×(\stackrel{\→}{O}\·\stackrel{\→}{I})]\×\stackrel{\→}{N}---\left(2\right)$

其中，n_o和n_I分别为介质的折射率和透镜材料的折射率。由于经扩束之后的激光束具有极好的方向性，可令入射光线的单位方向向量

由式(1)和式(2)可得以下偏微分方程组

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，O_x、O_y和O_z分别为向量

在各坐标轴方向上的分量。在数值求解上述偏微分方程组之前，还需建立点P和向量各坐标分量之间的关系。

实际模拟分析时，采用强度在自由曲面微透镜阵列1的前表面S1内呈高斯分布的激光光束作为光源

I＝exp[-2(x²+y²)/w₀ ²]                            (4)

其中，w₀为前表面S1上振幅为中心振幅的1/e处的半径，且令w₀＝3mm。自由曲面微透镜阵列1的截面的半径取6.5mm，自由曲面微透镜阵列1的前表面S1距离目标面500mm，聚光透镜组2的焦距f＝450mm，自由曲面微透镜阵列1和聚光透镜组2的材料选用K9，自由曲面透镜单元U的后表面顶点B的z坐标为2mm，自由曲面微透镜阵列1周围的介质为空气，自由曲面透镜单元U的截面尺寸和目标面上多级照明光斑的相关参数如表1所示。

表1自由曲面透镜单元U的截面尺寸及目标面上多级照明光斑的参数(单位：mm)

照明模式	Lx	Ly	Dx	Dy	Xmin	Ymin
							偶极照明	2	2	20	30	-10	20
四极照明	2	2	15	30	-7.5	15

实施例1

采用本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置在目标面上实现偶极照明模式。

偶极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S2.1为平面，后表面S2.2由并排放置的第一自由曲面S2.2.1和第二自由曲面S2.2.2构成。在图4中，图4(a)为实现偶极照明的自由曲面透镜单元U的截面图，图4(b)为目标面上的偶极照明光斑。第一自由曲面S2.2.1对应目标面上偶极照明光斑I，第二自由曲面S2.2.2对应目标面上偶极照明光斑II。根据对称性，设计时可先实现第一自由曲面S2.2.1，然后通过坐标平面镜像得到第二自由曲面S2.2.2。由于自由曲面透镜单元U的截面尺寸往往很小，设计时取入射激光束的强度为均匀分布，并令其强度为I。根据能量守恒，求得目标面照明区域的照度

E＝I×L_x×L_y/(2×D_x×D_y)                (5)

其中，L_x为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上偶极光斑I在x轴方向上的长度，D_y为目标面上偶极光斑I在y轴方向上的长度。

设具有相同x坐标值的入射光束经自由曲面透镜单元U偏折后，出射光束在坐标平面xoz内的投影与z轴有相同的夹角，也即出射光束经过聚光透镜组2后与目标面的交点位于一条平行于y轴的直线上；具有相同y坐标值的入射光束经自由曲面透镜单元U偏折后，出射光束在坐标平面yoz内的投影与z轴有相同的夹角，也即出射光束经过聚光透镜组2后与目标面的交点位于一条平行于x轴的直线上。

如图5所示，自由曲面S2.2.1内的直线l₁对应目标面上偶极照明光斑I内的直线l₂，不妨令直线l₁横坐标为x，直线l₂对应的自由曲面S2.2.1的出射光束在坐标平面xoz内的投影与z轴的夹角为θ，根据能量守恒

I×(x+L_x/2)×L_y/2＝E×D_y×(ftanθ-X_min)                (6)

结合式(5)，可得

tanθ＝D_x×x/(L_x×f)                                   (7)

其中，f为聚光透镜组2的焦距，X_min为目标面上偶极照明光斑I的左边缘对应的横坐标，且X_min＝-D_x/2。自由曲面S2.2.1内的直线c₁对应目标面上偶极照明光斑I内的直线c₂，令直线c₁的横坐标为y，直线c₂对应的自由曲面S2.2.1的出射光束在坐标平面yoz内的投影与z轴的夹角为

根据能量守恒

并结合式(5)求得

其中，Y_min为目标面上偶极照明光斑I的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0。由此可求得自由曲面S2.2.1出射光束的单位方向向量

至此，已建立了自由曲面S2.2.1上的点P和向量

各坐标分量之间的关系。

根据上述约定和偶极照明模式的设计参数，利用四阶龙格-库塔法求解式3中的偏微分方程组可获得偶极照明模式对应的自由曲面透镜单元U的面型，之后通过曲面拟合并阵列自由曲面透镜单元U即可得到偶极照明模式对应的自由曲面微透镜阵列，图6为实现偶极照明的自由曲面透镜单元U的模型。图7为实现偶极照明的自由曲面微透镜阵列的模型，由该图可知自由曲面微透镜阵列由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，自由曲面微透镜阵列由前表面S1.1、后表面S1.2和侧面S1.3构成；前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面。由于实施例中自由曲面微透镜阵列的截面的形状为圆，所以侧面S1.3为圆柱面。一般地，自由曲面微透镜阵列的截面形状由实际的应用场合决定，该截面的形状多为一些规则的图形，因此自由曲面微透镜阵列的侧面S1.3一般为规则曲面或规则曲面的组合。

采用ASAP对用于光刻偶极照明的自由曲面微透镜阵列装置进行了实际模拟，追迹了1000万条光线，由模拟结果可得：用于光刻偶极照明的自由曲面微透镜阵列装置的效率为98.10％，照明区域的照度均匀度为92.45％，目标面上的偶极照明光斑如图8所示。

实施例2

采用本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置在目标面上实现四极照明模式。

四极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S3.1为平面，后表面S3.2由第一自由曲面S3.2.1、第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3、第四自由曲面S3.2.4、第一平面S3.2.5、第二平面S3.2.6、第三平面S3.2.7和第四平面S3.2.8构成。在图9中，图9(a)为实现四极照明的自由曲面透镜单元U的截面图，图9(b)为目标面上的四极照明光斑。第一自由曲面S3.2.1对应目标面上四极照明光斑I，第二自由曲面S3.2.2对应目标面上四极照明光斑II，第三自由曲面S3.2.3对应目标面上四极照明光斑III，第四自由曲面S3.2.4对应目标面上四极照明光斑IV。根据对称性，设计时可先实现自由曲面S3.2.1，然后将自由曲面S3.2.1绕光轴旋转得到第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3和第四自由曲面S3.2.4。

令入射激光束的强度为均匀分布且大小为I。根据能量守恒，求得目标面照明区域的照度

E＝I×L_x×L_y/(4×D_x×D_y)                    (11)

其中，L_x为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上四极光斑I在x轴方向上的长度，D_y为目标面上四极光斑I在y轴方向上的长度。

类似于实现偶极照明时采用的对应关系，如图10所示，第一自由曲面S3.2.1内的直线l₁对应目标面上四极照明光斑I内的直线l₂，不妨令直线l₁的横坐标为x，直线l₂对应的第一自由曲面S3.2.1的出射光束在坐标平面xoz内的投影与z轴的夹角为θ，根据能量守恒

I×x×L_y/2＝E×D_y×(ftanθ-X_min)                        (12)

并结合式(11)，可得

tanθ＝(2D_x×x/L_x+X_min)/f                               (13)

其中，X_min为目标面上四极照明光斑I左边缘对应的横坐标。令直线c₁的横坐标为y，直线c₂对应的第一自由曲面S3.2.1的出射光束在坐标平面yoz内的投影与z轴的夹角为根据能量守恒

并结合式(11)求得

其中，Y_min为目标面上四极照明光斑I的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0。

根据四极照明模式的设计参数，利用四阶龙格-库塔法求解式3中的偏微分方程组可获得四极照明模式对应的自由曲面透镜单元U的面型，之后通过曲面拟合并阵列自由曲面透镜单元U即可得到四极照明模式对应的自由曲面微透镜阵列，图11为实现四极照明模式一的自由曲面透镜单元U的模型。图12为实现四极照明模式一的自由曲面微透镜阵列的模型，由该图可知自由曲面微透镜阵列由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，自由曲面微透镜阵列由前表面S1.1、后表面S1.2和侧面S1.3构成；前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面。由于实施例中自由曲面微透镜阵列的截面的形状为圆形，所以侧面S1.3为圆柱面。一般地，自由曲面微透镜阵列的截面的形状由实际的应用场合决定，该截面的形状多为一些规则的图形，因此自由曲面微透镜阵列的侧面S1.3一般为规则曲面或规则曲面的组合。

采用ASAP对用于光刻四极照明的自由曲面微透镜阵列装置进行了实际模拟，追迹了1000万条光线，由模拟结果可得：用于光刻四极照明的自由曲面微透镜阵列装置的效率为98.89％，照明区域的照度均匀度为91.03％，目标面上的四极照明光斑如图13所示。

不妨称上述四极照明模式为四极照明模式一，显然四极照明模式一是在X_min＝-D_x/2且Y_min＞|X_min|的条件下得到的。当满足D_x＝D_y且Y_min＝X_min＞0时，将得到另一种四极照明模式，不妨称之为四极照明模式二。四极照明模式二对应的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S3.1为平面，而后表面S3.2仅由第一自由曲面S3.2.1、第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3和第四自由曲面S3.2.4构成，第一平面S3.2.5、第二平面S3.2.6、第三平面S3.2.7和第四平面S3.2.8演变成线段，如图14所示。对应的自由曲面微透镜阵列的模型如图15所示，由该图可知自由曲面微透镜阵列由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，自由曲面微透镜阵列由前表面S1.1、后表面S1.2和侧面S1.3构成；前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面。由于实施例中自由曲面微透镜阵列的截面的形状为圆形，所以侧面S1.3为圆柱面。一般地，自由曲面微透镜阵列的截面的形状由实际的应用场合决定，该截面的形状多为一些规则的图形，因此自由曲面微透镜阵列的侧面S1.3一般为规则曲面或规则曲面的组合。

采用ASAP对四极照明模式二对应的自由曲面微透镜阵列装置进行了实际模拟，追迹了1000万条光线，由模拟结果可得：用于光刻四极照明的自由曲面微透镜阵列装置的效率为99.35％，照明区域的照度均匀度为92.10％，目标面上的四极照明光斑如图16所示。

将四极照明模式二对应的自由曲面微透镜阵列绕光轴旋转45°，此时目标面上的四极照明光斑也将绕光轴旋转45°，不妨将此时的四极照明模式称为四极照明模式三。显然四极照明模式三对应的自由曲面透镜单元U垂直于光轴的截面形状仍为矩形，自由曲面透镜单元U的前表面S3.1为平面，而后表面S3.2仅由第一自由曲面S3.2.1、第二自由曲面S3.2.2、第三自由曲面S3.2.3和第四自由曲面S3.2.4构成，第一平面S3.2.5、第二平面S3.2.6、第三平面S3.2.7和第四平面S3.2.8演变成线段，如图17所示。对应的自由曲面微透镜阵列的模型如图18所示，由该图可知自由曲面微透镜阵列由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元U构成，自由曲面微透镜阵列由前表面S1.1、后表面S1.2和侧面S1.3构成；前表面S1.1为平面，后表面S1.2为自由曲面。由于实施例中自由曲面微透镜阵列的截面的形状为圆形，所以侧面S1.3为圆柱面。一般地，自由曲面微透镜阵列的截面的形状由实际的应用场合决定，该截面的形状多为一些规则的图形，因此自由曲面微透镜阵列的侧面S1.3一般为规则曲面或规则曲面的组合。

采用ASAP对四极照明模式三对应的自由曲面微透镜阵列装置进行了实际模拟，追迹了1000万条光线，由模拟结果可得：用于光刻四极照明的自由曲面微透镜阵列装置的效率为98.48％，照明区域的照度均匀度为90.65％，目标面上的四极照明光斑如图19所示。

由上述两个实施例的模拟结果可知，本发明提出的用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置具有极高的效率，最高效率达99.35％，实现了对光束的有效控制。此外，在自由曲面透单元U的截面尺寸L_x和L_y较小的情况下，目标面上的多极光斑的照度均匀度受入射光束强度分布的影响很小，本发明具有较强的适用性，应用范围广。

Claims (3)

1.一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置，其特征在于包括沿光束传播方向依次放置的自由曲面微透镜阵列(1)和聚光透镜组(2)；自由曲面微透镜阵列(1)由按行和列均匀排布的自由曲面透镜单元(U)构成，每个自由曲面透镜单元(U)形状相同，自由曲面微透镜阵列(1)的前表面(S1.1)为平面，后表面(S1.2)为自由曲面，自由曲面微透镜阵列(1)包括偶极照明的自由曲面微透镜阵列和四极照明的自由曲面微透镜阵列；聚光透镜组(2)由至少一个聚光透镜组成；激光束经自由曲面微透镜阵列(1)偏折后成像于无穷远，再经聚光透镜组(2)作用后，出射光束成像于聚光透镜组(2)的后焦面。

2.根据权利要求1所述的一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置，其特征在于所述的偶极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元(U)的前表面(S2.1)为平面，后表面(S2.2)由并排放置的第一自由曲面(S2.2.1)和第二自由曲面(S2.2.2)构成；第二由曲面(S2.2.2)可由第一自由曲面(S2.2.1)对称得到，第一自由曲面(S2.2.1)的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝D_x×x/(L_x×f)，

L_x为自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上偶极光斑(I)在x轴方向上的长度，D_y为目标面上偶极光斑(I)在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组(2)的焦距，Y_min为目标面上偶极照明光斑(I)的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元(U)周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元(U)材料的折射率；z′_x为第一自由曲面(S2.2.1)上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面(S2.2.1)上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

3.根据权利要求1所述的一种用于光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列装置，其特征在于所述的四极照明的自由曲面微透镜阵列的自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面形状为矩形，自由曲面透镜单元(U)的前表面(S3.1)为平面，后表面(S3.2)由第一自由曲面(S3.2.1)、第二自由曲面(S3.2.2)、第三自由曲面(S3.2.3)、第四自由曲面(S3.2.4)、第一平面(S3.2.5)、第二平面(S3.2.6)、第三平面(S3.2.7)和第四平面(S3.2.8)构成；第二自由曲面(S3.2.2)、第三自由曲面(S3.2.3)和第四自由曲面(S3.2.4)可由第一自由曲面(S3.2.1)绕光轴旋转得到，第一自由曲面(S3.2.1)的面型由如下公式确定

$\left\{\begin{array}{c}{z}_x^{\′}=-n_o\×O_x/(n_o\×O_z-n_I)\\ z_y^{\′}=-n_o\×O_y/(n_o\×O_z-n_I)\end{array}\right.$

其中，

tanθ＝(2D_x×x/L_x+X_min)/f，

L_x为自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面在x轴方向上的长度，L_y为自由曲面透镜单元(U)垂直于光轴的截面在y轴方向上的长度；D_x为目标面上四极光斑(I)在x轴方向上的长度，D_y为目标面上四极光斑(I)在y轴方向上的长度；f为聚光透镜组(2)的焦距，X_min为目标面上四极照明光斑(I)的左边缘对应的横坐标，Y_min为目标面上四极照明光斑(I)的下边缘对应的纵坐标，Y_min＞0；n_o为自由曲面透镜单元(U)周围介质的折射率，n_I为自由曲面透镜单元(U)材料的折射率；z′_x为第一自由曲面(S3.2.1)上的P点的z坐标关于x的一阶偏导数，z′_y为第一自由曲面(S3.2.1)上的P点的z坐标关于y的一阶偏导数。

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