光刻照明均勻化：微柱面鏡陣列與積分棒組合效果佳

更新時(shí)間：2025-09-28

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一、研究背景

光刻機(jī)是目前集成電路芯片制造的備工具，照明系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心分系統(tǒng)之一，為掩模面提供均勻照明、控制曝光劑量并實(shí)現(xiàn)不同的照明模式。其中，勻光單元用于實(shí)現(xiàn)照明均勻化，其設(shè)計(jì)直接影響照明系統(tǒng)乃至光刻機(jī)的性能。

用于光刻機(jī)照明系統(tǒng)的勻光元件有積分棒、微透鏡陣列（MLA）、衍射光學(xué)元件（DOE）等。由于衍射損耗，DOE的使用僅限于小角度，并降低了傳輸效率，因此不常用于光刻機(jī)勻光單元。積分棒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工難度和成本較低，但在小數(shù)值孔徑情況下需要非常大的長(zhǎng)寬比才能達(dá)到較好的勻光效果，占用空間較長(zhǎng)，且數(shù)值孔徑不宜過(guò)大。MLA適用于大數(shù)值孔徑情況，能量損耗非常小、不影響激光束的偏振、縱向長(zhǎng)度短，但MLA方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、加工難度大。采用單一種類(lèi)器件的勻光方案，難以在滿(mǎn)足光刻照明均勻性要求的前提下兼顧系統(tǒng)長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與加工難度。因此有要尋找更優(yōu)的光刻機(jī)照明系統(tǒng)勻光單元方案。

二、創(chuàng)新工作

結(jié)合積分棒勻光和MLA勻光兩種方案的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出一種單排平凸微柱面鏡陣列（PCMCLA）與小長(zhǎng)寬比積分棒相結(jié)合的勻光單元方案，如圖1所示。積分棒入射端位于聚光鏡組后焦面，PCMCLA只在X方向有光焦度，每個(gè)微柱面鏡和聚光鏡組組成了無(wú)焦擴(kuò)束系統(tǒng)。在X方向上，PCMCLA將入射的環(huán)形照明光束分割為多個(gè)子光束，各子光束經(jīng)擴(kuò)束后在積分棒入射端處疊加形成均勻分布；在Y方向上，入射光束聚焦在積分棒入射端。再經(jīng)積分棒勻化，最終在積分棒出射端得到一個(gè)矩形均勻光場(chǎng)。與采用單一種類(lèi)器件的勻光方案相比，該方案能夠更好地兼顧系統(tǒng)長(zhǎng)度與可制造性。

圖1 所提勻光單元結(jié)構(gòu)布局。(a)X方向結(jié)構(gòu)（俯視圖）; (b)Y方向結(jié)構(gòu)（正視圖）

如圖2，在X方向上對(duì)本勻光單元光線理想分布的分析表明，積分棒入射光束的空間坐標(biāo)與微柱面鏡出射光線的方向余弦為線性關(guān)系：

式中：θM為微柱面鏡的出射光線與所建坐標(biāo)系X1軸的夾角；θN為微柱面鏡的出射光線與Z軸的夾角；Xin為積分棒入射光線在積分棒入射端面上的橫向坐標(biāo)；f2’為聚光鏡組的焦距。

圖2 所提勻光單元中光線分布的幾何原理

因此，采用光線方向余弦的分布偏差表征照明均勻性，將微柱面鏡與聚光鏡組的中間共焦點(diǎn)處光線方向余弦的理論值作為目標(biāo)值，將各視場(chǎng)各歸一化光瞳的光線方向余弦與其理論值的偏差的加權(quán)平方和作為勻光單元中的微柱面鏡和聚光鏡組設(shè)計(jì)的自動(dòng)優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)：

式中：i為視場(chǎng)編號(hào)；j為歸一化光瞳編號(hào)；Wi,j為第個(gè)視場(chǎng)、第j個(gè)歸一化光瞳的權(quán)重；圖片為對(duì)應(yīng)光線出射方向余弦的真實(shí)光線追跡值；圖片為對(duì)應(yīng)光線出射方向余弦的理論值。

基于上述方案和評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)KrF光刻機(jī)照明系統(tǒng)勻光單元進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)（以“A"為標(biāo)識(shí)），同時(shí)將基于傳統(tǒng)彌散斑RMS評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)作為對(duì)照組（以“B"為標(biāo)識(shí)），對(duì)兩種設(shè)計(jì)結(jié)果的初步評(píng)價(jià)表明，基于所構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)獲得的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果中光線方向余弦的分布更接近理想分布，如圖3所示。

圖3 出射光線方向余弦的絕對(duì)偏差分布曲線。(a)微柱面鏡；(b)聚光鏡組

如圖4所示，在LightTools 軟件中對(duì)所設(shè)計(jì)勻光單元進(jìn)行了照明均勻性仿真，得到積分棒輸入光場(chǎng)和輸出光場(chǎng)的照度分布如圖5所示。傳統(tǒng)照明與環(huán)形照明模式下，基于所構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)的勻光單元輸出光場(chǎng)照明積分不均勻性（IINU）小于0.60%，且在每種部分相干因子下均明顯優(yōu)于對(duì)照組，驗(yàn)證了所提勻光單元方案的可行性和評(píng)價(jià)函數(shù)的性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該勻光單元采用靜態(tài)灰度濾波法進(jìn)行均勻性校正，使IINU小于0.43%，滿(mǎn)足了IINU小于0.46%的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4　勻光單元仿真模型（A組）

圖5 歸一化照度分布示意圖。(a)積分棒輸入光場(chǎng)；(b)輸出光場(chǎng)

三、總結(jié)

所提勻光單元在滿(mǎn)足光刻照明均勻性要求的前提下，兼顧了系統(tǒng)長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與加工難度等要求。目前，本勻光單元設(shè)計(jì)尚未全面地對(duì)加工和裝配誤差的影響進(jìn)行評(píng)估，后續(xù)需要開(kāi)展公差分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作。

參考文獻(xiàn)：中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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