李美萱，王美嬌

長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院

浸沒式光刻系統(tǒng)中光束擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李美萱，王美嬌

長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院

在超大規(guī)模集成電路中，為了滿足45nm節(jié)點(diǎn)光刻曝光光學(xué)系統(tǒng)對(duì)高分辨率的要求，設(shè)計(jì)了一種光束擴(kuò)束系統(tǒng)，用于提高照明系統(tǒng)的均勻性。由于準(zhǔn)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(zhǎng)達(dá)20m，垂直方向激光最大發(fā)散角達(dá)到2.1mrad，若不對(duì)出射的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，則激光傳輸20m后，激光光斑尺寸將達(dá)到54.5mm以上，這對(duì)后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是不利的，因而必須首先對(duì)激光器出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直，然后再傳輸。通過調(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（球面鏡前表面）到Y(jié)方向柱面鏡后表面距離調(diào)整為122.058mm時(shí)消除了這種影響，保證輸出光束滿足指標(biāo)要求。

浸沒式光刻；光束擴(kuò)束；光學(xué)設(shè)計(jì)

引言

自70年代IC誕生至今,短短幾十年,經(jīng)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(duì)超大規(guī)模集成電路器件的迫切需求，微電子光學(xué)光刻技術(shù)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(dǎo)體工藝級(jí)聯(lián)封裝在一塊單晶硅片上，實(shí)現(xiàn)特定功能的電子線路，它廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備之中[2]。自20世紀(jì)80年代，16兆DRAM的產(chǎn)生，標(biāo)志著世界開始進(jìn)入超大規(guī)模集成電路（VL?SI）階段，VSLI成為所有高科技領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)[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(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)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(huì)造成各個(gè)視場(chǎng)分辨率存在差異，曝光線條的粗細(xì)不一致，嚴(yán)重影響光刻機(jī)的性能[7]。本論文設(shè)計(jì)由復(fù)眼透鏡、復(fù)眼聚光鏡、均勻性補(bǔ)償器和耦合鏡組構(gòu)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(duì)掩膜面的非均勻性均低于0.5%，對(duì)改善最終的曝光質(zhì)量具有重要的意義[8]。

1 光束擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

擴(kuò)束系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)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(diào)；擴(kuò)束后Y向光斑尺寸：20mm≤y≤30mm；X、Y兩個(gè)方向光斑尺寸比值：0.7≤x/y≤1；X、Y兩個(gè)方向光束發(fā)散角：≤2mrad；X、Y兩個(gè)方向光束發(fā)散角之差：θx-θy≤1mrad。

2 光束擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)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(shí)易于調(diào)節(jié)出射角度，可采用一組負(fù)光焦度柱面鏡先進(jìn)行擴(kuò)束，再用一正光焦度球面鏡對(duì)水平方向和垂直方向進(jìn)行準(zhǔn)直。

采用的方案為：三片式的結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)對(duì)垂直和水平方向進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)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(shè)計(jì)目標(biāo)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(nèi)變化時(shí)，通過調(diào)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

當(dāng)激光傳輸距離在5米～20米范圍內(nèi)變化時(shí)，不需要調(diào)透鏡間隔，即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 結(jié)論

對(duì)X方向和Y方向擴(kuò)束整形系統(tǒng)分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(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±0.5mm范圍內(nèi)，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(shè)計(jì)好的X方向和Y方向擴(kuò)束整形系統(tǒng)進(jìn)行組合，發(fā)現(xiàn)X柱面鏡對(duì)Y方向的擴(kuò)束整形結(jié)果有影響，通過調(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（球面鏡前表面）到Y(jié)方向柱面鏡后表面距離調(diào)整為122.058mm時(shí)消除了這種影響，保證輸出光束滿足指標(biāo)要求。

設(shè)計(jì)的擴(kuò)束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下，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，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1 擴(kuò)束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：激光傳輸距離在5米～20米范圍內(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±0.5mm范圍內(nèi)，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(jī)照明均勻化的微柱面鏡陣列設(shè)計(jì)[J].中國(guó)激光，2013,40（2）：0216001

[2]宋強(qiáng)，朱菁，王健.基于混合梯度下降的高性能光刻機(jī)離軸照明衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（1）：0122005

[3]胡中華，楊寶喜，朱菁.用于投影光刻機(jī)光瞳整形的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[J].中國(guó)激光，2013,40（6）：0616001

[4]張巍,鞏巖.投影光刻離軸照明用衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[J].光學(xué)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(shè)計(jì)[J].光學(xué)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(kuò)束單元光束均勻性的方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（8）：0822004

[7]張巍，鞏巖.投影光刻離軸照明用衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2008,16（11）:2081-2086.

[8]張巍.“神光”裝置大尺寸衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D].博士學(xué)位論文1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，2007.