CN102645853A - 衍射型环形照明发生器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于紫外光刻机离轴照明***的衍射型环形照明发生器及其制备方法，特点在于其构成包括表面垂直于光轴的第一衍射元件和第二衍射元件，第一衍射元件将平行光束变换成与光轴成一个产生的发散光束与光轴成夹角θ的圆环形发散光束，第二衍射元件将圆环形发散光束变换成圆环形平行光束。本发明可连续调节光瞳面的光强分布尺寸，具有结构简单和加工工艺成熟的特点，能够有效降低光刻机的生产成本。

Description

衍射型环形照明发生器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光刻设备，特别是一种用于紫外光刻机离轴照明***连续调节光瞳面光强分布尺寸的衍射型环形照明发生器及其制备方法。

背景技术

在先进光刻机的照明***中，需要依据光刻掩模图形的结构和尺寸选择合适的光瞳面照明光强分布尺寸，增强光刻***的分辨率，增大焦深，并改善光刻对比度，从而提高光刻质量。

目前光瞳面光强分布尺寸的调解采用由凹、凸两个折射锥形镜构成的锥形镜组实现。两个锥形镜沿光轴的方向排列，并垂直于光轴放置，通过改变两个锥形镜之间的距离实现光瞳面上光强分布尺寸的连续调节。这种方法的缺点是折射锥形镜的加工较难完成，特别是凹面锥形镜的加工国内外都还很难实现。原因是锥形镜的加工需要借助研磨与抛光工艺完成，凹面锥形镜中心区域的加工一直是难点，另外紫外光刻***所能利用的材料有限，熔石英价格较低，但是很难完成精确的面型加工，氟化钙材料的硬度较高，对加工有利，但是价格非常昂贵，不利于光刻整机成本的降低。

在先技术“环形光斑转化镜”(参见专利CN 2163387Y)中，公开了一种环形光斑转化镜，利用折射锥形镜产生环形的光斑。该方法对于面形精度要求不高的激光加工可以满足要求，但是受到加工工艺的限制，较难移植到光刻设备中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种用于紫外光刻机离轴照明***的衍射型环形照明发生器及其制备方法，该衍射型环形照明发生器替代传统的折射锥形镜组，可连续调节光瞳面光强分布尺寸，且结构简单，加工工艺成熟的特点，能够有效降低光刻机的生产成本。适用于任何紫外光波段的衍射型环形照明发生器。

本发明的技术解决方案如下：

一种衍射型环形照明发生器，特点在于其构成包括表面垂直于光轴的第一衍射元件和第二衍射元件，第一衍射元件将平行光束变换成与光轴成一个产生的发散光束与光轴成夹角θ的圆环形发散光束，第二衍射元件将圆环形发散光束变换成圆环形平行光束，通过调节两个衍射元件之间的距离实现输出光束尺寸的连续调节，第一衍射元件和第二衍射元件之间的最大距离为d由下列公式确定；

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right]$

其中：θ₁为中间参数，满足方程式：sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n，n为照明光束波长λ下第一衍射元件和第二衍射元件的材料折射率，

为入射光束的口径，为环形出射光束的外径，夹角θ的选取范围为10°～60°；

所述的第一衍射元件和第二衍射元件均由规则排列的方形单元构成，每个单元的透过率相同，仅存在一定的位相差，所述的第一衍射元件是边长为D₁的正方形透明板，直角坐标的原点位于第一衍射元件的中心，入射面为平面，出射面具有位相分布，其位相分布矩阵为

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₁/2到D₁/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，通常选取10到12，且D₁/2^N至少大于1μm，，mod{}表示对

除以2π取余数；

所述的第二衍射元件是边长为D₂的正方形透明板，直角坐标系的原点位于第二衍射元件的中心，入射面具有其位相分布，出射面为平面，其位相分布矩阵为

${\mathrm{\φ}}_2(x,y)=\mathrm{mod}\left\{\right[-\sqrt{x^2+y^2}\·\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)]\·(n-1)/\mathrm{\λ},2\mathrm{\π}\};$

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₂/2到D₂/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，mod{}表示对

除以2π取余数。

所述的照明光束波长λ包括365nm、248nm、193nm，甚至更短的波长。

所述的衍射型环形照明发生器的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①根据光刻机的实际情况包括照明光束波长λ、入射光束的口径最大出射光束外径

选定第一衍射元件和第二衍射元件的基材的折射率n；确定第一衍射元件产生的发散光束与光轴的夹角θ，夹角θ的选取范围为10°～60°选定夹角θ后，按sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n计算为中间参数θ₁；

②按下列公式计算第一衍射元件和第二衍射元件之间的最大距离d：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right];$

③按下列公式计算所述的第一衍射元件的位相分布矩阵

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，θ₁是步骤①求得的中间参数，mod{}表示对

除以2π取余数；

④按下列公式确定所述的第二衍射元件的位相分布矩阵

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，mod{}表示对

除以2π取余数；

⑤采用现有成熟的光刻加工工艺制备具有所述的位相分布的第一衍射元件和第二衍射元件；

⑥组装所述的衍射型环形照明发生器。

与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：

(1)本发明采用衍射光学方法实现环形照明发生器，由于衍射元件的厚度很薄，有利于减小光刻机整机尺寸，同时能够有效避免传统锥形镜组同其他光刻机部件的结构干涉，简化了相应的结构。

(2)本发明的第一衍射元件和第二衍射元件可以利用现有的光刻工艺进行加工，具有加工成熟、加工精度容易保证的特点，另外，能在价格较低的熔石英材料上实现衍射型环形照明发生器的加工，有效降低光刻机的制造成本。

附图说明

图1是本发明衍射型环形照明发生器的工作原理图。

图2是本发明衍射型环形照明发生器的原理图。

图3是本发明一个实施例的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明衍射型环形照明发生器的工作原理图，用于产生紫外光刻机中所需的环形照明光瞳分布。由图可见，本发明衍射型环形照明发生器，包括表面垂直于光轴的第一衍射元件102和第二衍射元件103，第一衍射元件102将平行光束变换成与光轴成一个产生的发散光束与光轴成夹角θ的圆环形发散光束，第二衍射元件103将圆环形发散光束变换成圆环形平行光束，通过调节两个衍射元件之间的距离实现输出光束尺寸的连续调节，第一衍射元件102和第二衍射元件103之间的最大距离为d由下列公式确定；

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right]$

其中：θ₁为中间参数，满足方程式：sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n，n为照明光束波长λ下第一衍射元件102和第二衍射元件103的材料折射率，

为入射光束的口径，为环形出射光束的外径，夹角θ选取范围为10°～60°；

所述的第一衍射元件102和第二衍射元件103均由规则排列的方形单元构成，每个单元的透过率相同，仅存在一定的位相差，所述的第一衍射元件102是边长为D₁的正方形透明板，直角坐标的原点位于第一衍射元件102的中心，入射面为平面，出射面具有位相分布，其位相分布矩阵为

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₁/2到D₁/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，通常选取10到12，且D₁/2^N至少大于1μm，，mod{}表示对

除以2π取余数；

所述的第二衍射元件103是边长为D₂的正方形透明板，直角坐标系的原点位于第二衍射元件103的中心，入射面具有其位相分布，出射面为平面，其位相分布矩阵为

${\mathrm{\φ}}_2(x,y)=\mathrm{mod}\left\{\right[-\sqrt{x^2+y^2}\·\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)]\·(n-1)/\mathrm{\λ},2\mathrm{\π}\};$

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₂/2到D₂/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，mod{}表示对

除以2π取余数。

第一衍射元件102和第二衍射元件103，垂直于光轴放置，两衍射元件的中心和光轴重合。入射光束是圆形的照明光场101，经过第一衍射元件102和第二衍射元件103后，在输出面104上得到环形的照明光场105。第一衍射元件102的一面为平面，另一面含有位相分布，例如其位相分布面型结构图如图中的106所示。第二衍射元件103的一面为平面，另一面含有位相分布，例如位相分布面型结构图如图中的107所示。衍射型环形照明发生器工作时，通过调节第一衍射元件102和第二衍射元件103之间的距离，最大不超过d，实现紫外光刻机离轴照明***光瞳面光强分布尺寸的连续调节。

图2是本发明衍射型环形照明发生器的原理图。图中的虚线段AE等效为第一衍射元件102，其功能是将平行光束变换成与光轴成一个特定角度的环形发散光束，图中的虚线段BC等效为第二衍射元件103，其功能是将环形发散光束变换成环形平行光束。

口径为光束经过第一衍射元件102后，产生与光轴夹角为θ的环形发散光束，再经过第二衍射元件103后，变换成环形平行光束，其外径为

图中，线段AE与BC平行，且和线段BD的夹角为θ₁，线段BD垂直于光轴。根据平面几何原理，我们可以得到以下关系：

BC＝BD/cosθ₁；

BC/AC＝sinθ/sin(90°-θ-θ₁)；

其中BC为线段BC的长度，BD为线段BD的长度，且

AC为线段AC的长度，且AC＝d。通过这两个关系式，我们可以得到：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right]---\left(1\right)$

另外，依据几何光学的折射定律，可以得到：

sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n；                    (2)

结合上述两个关系式，我们就建立了发散光束与光轴的夹角θ和第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)之间的最大距离d的关系，这就是本专利衍射型环形照明发生器的两个公式的来源。

其次，依据衍射光学主极大衍射光束的方向遵循几何光学折射光束方向的基本原理[参见：郁道银和谈恒英，工程光学，机械工业出版社，1999，247-251页]，构建第一衍射元件102和第二衍射元件103的位相分布矩阵。将线段AE和CF上每点在光轴方向的坐标看作等效位相，分别对它们进行离散化处理，并规格化到0～2π内，从而得到第一衍射元件102和第二衍射元件103的位相分布矩阵。具体的计算公式如下：第一衍射元件102的位相分布矩阵为

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₁/2到D₁/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，通常选取10到12，且D₁/2^N至少大于1μm，，mod{}表示对

除以2π取余数；

所述的第二衍射元件103的位相分布矩阵为

${\mathrm{\φ}}_2(x,y)=\mathrm{mod}\left\{\right[-\sqrt{x^2+y^2}\·\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)]\·(n-1)/\mathrm{\λ},2\mathrm{\π}\}---\left(4\right)$

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₂/2到D₂/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，mod{}表示对

除以2π取余数。

下面通过一个具体实施例，进一步说明紫外光刻照明***中用的衍射型环形照明发生器的结构。首先确定如下参数：紫外光束波长λ＝248nm，在此波长下熔石英材料折射率n＝1.5，入射光束101的口径：

最大出射光束105外径

接着根据以下步骤设计衍射型环形照明发生器102和103：

①确定由第一衍射元件102产生的发散光束与光轴的夹角θ和第一衍射元件102和第二衍射元件103之间的最大距离d

两者的关系可以由下面的方程组表示：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right];$

sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n；

其中，θ₁为中间参数。通过上述方程组，并依据实际的结构限制和加工条件选取合适的发散光束与光轴的夹角θ，第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)之间的最大距离d，和中间参数θ₁。这里选取θ为18.59°，则θ₁为30°，相应的距离d为24mm。

②确定所述的第一衍射元件102的位相分布矩阵

第一衍射元件选用方形结构，其口径D₁·D₁应略大于入射光束的口径

本实施例选为21mm x 21mm。其位相分布可以表示成一个二维矩阵，并可通过下面的公式求得：

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，θ₁是步骤①求得的中间参数，mod{}表示对

除以2π取余数。x和y坐标的选取是在-10.5mm到10.5mm的范围内均分为2^N个点，本实施例N取11，则D/2^N＝10.25μm，大于1μm。代入不同的x和y坐标可以得到一个二维矩阵，这个矩阵就是第一衍射元件(102)的位相分布矩阵

③确定所述的第二衍射元件103的位相分布矩阵

第二衍射元件选用方形结构，其口径D₂·D₂应略大于出射光束的外径

本实施例选为42mm x 42mm。其位相分布可以表示成一个二维矩阵，并可通过下面的公式求得：

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，θ₁是步骤①求得的中间参数，mod{}表示对

除以2π取余数。M是一个常数，由于计算的位相分布是相对的，所以这里的M可以取为零。x和y坐标的选取是在-21mm到21mm的范围内均分为2^N个点，N取值和所述步骤③中的相同。代入不同的x和y坐标可以得到一个二维矩阵，这个矩阵就是第二衍射元件103的位相分布矩阵

④设计完成

通过得到所述的第一衍射元件102和第二衍射元件103的位相分布矩阵

和以及最大距离d，就完成了所需的设计。工作时，通过调节所述的第一衍射元件102和第二衍射元件103之间的距离，最大不超过d，实现紫外光刻机离轴照明***光瞳面光强分布尺寸的连续调节。

图3中显示了本实施例的仿真结果，仿真基于菲涅耳衍射理论[参见：郁道银和谈恒英，工程光学，机械工业出版社，1999，247-251页]。301是入射光束的光强分布图，图形的灰度代表光强，入射光束是圆形的光强分布。当第一衍射元件102和第二衍射元件103的距离为8mm时，在输出面上得到环形光强分布302，当距离为16mm时，在输出面上得到环形光强分布303，当距离为24mm时，在输出面上得到环形光强分布304。从中可以发现，随着第一衍射元件102和第二衍射元件103之间距离的改变，输出面上环形照明光场的外径在不断扩大，且环形照明场的环带宽度不随第一衍射元件102和第二衍射元件103之间距离的变化而变化，始终保持入射圆形光场的半径值。上述两点证明该衍射元件组实现了环形照明发生器的功能。

与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：

(1)本发明采用衍射光学的方法实现环形照明发生器，由于衍射元件的厚度很薄，有利于减小光刻机整机尺寸，同时能够有效避免传统锥形镜组同其他光刻机部件的结构干涉，简化相应的结构设计。

(2)本发明设计的衍射元件组利用现有的光刻工艺实现，具有加工成熟、加工精度容易保证的特点，另外，能在价格较低的熔石英材料上实现衍射型环形照明发生器的加工，有效降低光刻机的制造成本。

Claims (3)

1.一种衍射型环形照明发生器，特征在于其构成包括表面垂直于光轴的第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)，第一衍射元件(102)将平行光束变换成与光轴成一个产生的发散光束与光轴成夹角θ的圆环形发散光束，第二衍射元件(103)将圆环形发散光束变换成圆环形平行光束，通过调节两个衍射元件之间的距离实现输出光束尺寸的连续调节，第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)之间的最大距离为d由下列公式确定；

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right]$

其中：θ₁为中间参数，满足方程式：sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n，n为照明光束波长λ下第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)的材料折射率，为入射光束的口径，

为环形出射光束的外径，夹角θ的选取范围为10°～60°；

所述的第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)均由规则排列的方形单元构成，每个单元的透过率相同，仅存在一定的位相差，所述的第一衍射元件(102)是边长为D₁的正方形透明板，直角坐标的原点位于第一衍射元件(102)的中心，入射面为平面，出射面具有位相分布，其位相分布矩阵为

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₁/2到D₁/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，通常选取10到12，且D₁/2^N至少大于1μm，，mod{}表示对除以2π取余数；

所述的第二衍射元件(103)是边长为D₂的正方形透明板，直角坐标系的原点位于第二衍射元件(103)的中心，入射面具有位相分布，出射面为平面，其位相分布矩阵为

${\mathrm{\φ}}_2(x,y)=\mathrm{mod}\left\{\right[-\sqrt{x^2+y^2}\·\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)]\·(n-1)/\mathrm{\λ},2\mathrm{\π}\};$

其中：x和y表示直角坐标，x和y坐标的选取是在-D₂/2到D₂/2的范围内均分为2^N个点，N为整数，mod{}表示对

除以2π取余数。

2.根据权利要求1所述的衍射型环形照明发生器，其特征在于所述的照明光束波长λ包括365nm、248nm、193nm，甚至更短的波长。

3.权利要求1所述的衍射型环形照明发生器的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①根据光刻机的实际情况包括照明光束波长λ、入射光束的口径最大出射光束外径选定第一衍射元件和第二衍射元件的基材的折射率n；确定第一衍射元件(102)产生的发散光束与光轴的夹角θ，夹角θ的选取范围为10°～60°选定夹角θ后，按sin(θ+θ₁)/sin(θ₁)＝n计算为中间参数θ₁；

②按下列公式计算第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)之间的最大距离d：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}}=2d\sin \mathrm{\θ}\·\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_1)}\right];$

③按下列公式计算所述的第一衍射元件(102)的位相分布矩阵

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，θ₁是步骤①求得的中间参数，mod{}表示对除以2π取余数；

④按下列公式确定所述的第二衍射元件(103)的位相分布矩阵

其中，x和y表示直角坐标，n是材料的折射率，θ₁是步骤①求得的中间参数，mod{}表示对除以2π取余数。M是一个常数，由于计算的位相分布是相对的，所以这里的M可以取为零；

⑤采用现有成熟的光刻加工工艺制备具有所述的位相分布的第一衍射元件(102)和第二衍射元件(103)；

⑥组装所述的衍射型环形照明发生器。

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