[發明專利]光刻機光瞳整形單元結構及其衍射光學元件設計方法

有效

• 申請號: 201310576235.0
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN103676498B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 司徒國海;蔡燕民;黃惠杰;王向朝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及光刻機，特別是一種光刻機光瞳整形單元結構及其衍射光學元件設計方法。

背景技術

光刻機的照明系統中，需要采用離軸照明模式以增強光刻分辨率、增加焦深、改善光刻圖形對比度，從而提高光刻圖形質量。光刻機照明系統中光瞳整形單元需要提供傳統照明（即軸上照明模式），及環形照明、二極照明、四極照明等離軸照明模式。光瞳整形單元中的衍射光學元件（Diffractive?Optical?Element，簡稱為DOE），與變焦距準直透鏡組配合實現所述的多種照明模式。DOE具有衍射效率高、設計靈活等優點。為了改善光刻線寬（Critical?Dimension，CD）控制能力，提升線條邊緣粗糙度（Line?Edge?Roughness，LER)和線寬粗糙度（Line?Width?Roughness，LWR），光刻機離軸照明模式的光瞳面上光強分布，應該滿足散斑噪聲低、非均勻性優良、光能利用率高的要求。設計滿足上述離軸照明模式要求的DOE是本領域技術人員應該重點考慮的問題。

目前，傳統DOE的設計方法主要是基于蓋師貝格-撒克斯通（Gerchberg-Saxton，G-S）迭代算法實現（參見Optik,35,237-246,1972）。為了提高DOE的光學性能，研究人員對G-S迭代算法提出了多種改進方案（參見Applied?optics,21,2758-2769,1982;Applied?Optics,28,3864,1989;J.Opt.Soc.Am.A,7,961-969,1990)。這些改進方案對于提高迭代算法的收斂速度、改進DOE的光學性能有所幫助。例如，通過擴大遠場衍射區域在迭代計算中的空間尺度，明顯有助于降低DOE的散斑噪聲和提高非均勻性。但是，采用這種方法要求減小DOE的單元周期、增加單元數目，而對于光刻機工作波長在深紫外波段的DOE，增大了設計和加工的難度。增加DOE單元數目將大幅度增加計算迭代優化時間，同時，減小DOE單元周期將提高加工精度要求，目前主流的DOE加工工藝難以保證。

中國專利CN1790094A“消除激光散斑的照明系統以及使用該照明系統的投影系統”，公開了一種包括激光器和衍射光學元件的照明系統。該照明系統將激光器發出的激光束分為子光束，并且將所述子光束在時間或空間上進行平均，由此有效地減小或去除激光散斑影響。該方法是采用光纖將激光束進行分束，但是，由于光纖輸出光束有較大的發散角，照射在衍射光學元件會引起光場塌邊現象，影響照明光瞳的非均勻性，無法應用于實際的深紫外光刻機照明系統。

發明內容

本發明的目的在于克服上述在先技術的不足，提供一種光刻機光瞳整形單元結構及其衍射光學元件設計方法，該光瞳整形單元結構具有光瞳非均勻性優良和光能利用率高的優點，并且沿用傳統的DOE加工工藝，有利于保證DOE的加工質量。適用于任何紫外波段的級聯DOE的設計，例如，248nm波長、193nm波長、365nm波長等。

本發明的技術解決方案如下：

一種光刻機光瞳整形單元結構，包括級聯衍射光學元件和變焦距準直透鏡組，其特點在于所述的級聯衍射光學元件包括第一衍射光學元件和第二衍射光學元件，所述的兩片衍射光學元件的通光表面均垂直于照明系統光軸，所述的兩片衍射光學元件均為相位調制型的衍射光學元件，第一衍射光學元件對入射光束的相位進行預調制后傳輸至第二衍射光學元件，第二衍射光學元件對預調制后的光束進一步調制傳輸至變焦距準直透鏡組，在變焦距準直透鏡組的后焦面（此面與光刻機光瞳面共軛))上得到所需要的照明模式。

所述的第一衍射光學元件和第二衍射光學元件的通光口徑均不小于入射光束的直徑。

所述的第一衍射光學元件和第二衍射光學元件之間的距離，選取在10mm～30mm之間，所述的第一衍射光學元件和第二衍射光學元件之間的光束傳輸物理本質符合“角譜衍射理論”(李俊昌等編著，《信息光學教程》，第22-23頁，科學出版社，2011)。

所述的第二衍射光學元件位于變焦距準直透鏡組的前焦面，所述的變焦距準直透鏡組利用其焦距的改變，來調節所需要的光瞳面上光強分布圖形的尺寸。

一種光刻機光瞳整形單元結構中級聯衍射光學元件的設計方法，包括第一衍射光學元件和第二衍射光學元件的設計方法，首先需要確定系統參數，包括激光波長λ，級聯衍射光學元件的通光口徑L，輸出全孔徑角2θ，變焦距準直透鏡組的焦距變化范圍f1～f2，所述的級聯衍射光學元件的設計方法，包括以下步驟：

(1)相位單元周期的計算；

(2)入射光束和確定所需光束的光強分布并進行離散化處理；