浸没式光刻系统中光束传输系统的设计

李美萱,阚晓婷，王美娇，李 博

(1.长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130000；2.吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院,吉林 长春 130052；3.吉林省量子信息技术工程实验室,吉林 长春 130052)

1 引 言

照明系统在浸没式光刻曝光系统中具有重要的作用,随着光刻分辨力不断提高,要求更短的波长和数值孔径不断增大,对照明系统的性能要求也不断提高。高质量的照明系统对提高整个光刻机的性能起着至关重要的作用,能够保证在光刻系统掩模面上具有高均匀性照明、控制曝光剂量以及实现不同照明模式。NA1.35浸没式光刻照明系统是超大规模集成电路的核心设备,ArF激光器发出的光束经过一系列模块传输后到达掩模面,其能量应该满足光刻曝光系统的要求[1-6]。在激光器与照明系统之间有一段传输光路,通过多个转折反射镜将激光束引入照明系统。现有的激光准直扩束设计方法比较多样,例如对于单波长激光采用变焦系统设计[7],对于多波长也采用了新型扩束结构设计[8-10]等。

对于NA1.35浸没式光刻照明系统的结构,由于其特殊结构的布局要求,即采用多个转折反射镜以实现激光光束束与照明系统准确对接,使激光器与照明系统的相对安装位置具有最大的灵活性[11]。其传输光路的最大长度为20 m,其间最多可以布置5个转折点。为了避免激光器工作时产生的振动和电磁辐射对光刻机主机的影响和光刻机对环境较高的要求,应该将激光器与照明系统,即光刻机主机长距离分开光束传输管道与光束扩束、稳定腔壁及光瞳整形系统腔壁密封相连,并充过压氮气,使光束传输过程稳定无污染。

本文针对浸没式光刻照明系统的要求,在研究浸没式光刻高均匀性照明系统的理论和设计方案的基础上,进行了高均匀性照明系统的各模块的设计方案选择和对应的参数计算,然后完成对应的光束传输光学系统的光学设计、结构设计和对应的仿真分析。文中结合柱面透镜的特殊性质,采用球面镜和柱面镜组合的光学结构,进行了激光准直扩束系统的设计与仿真分析。包括光学设计部分和光学元件参数之间的公差分析,研究结果表明该系统能够满足光束在传输范围为5～20 m的光路范围内,不需要进行透镜间隔的调节,实现光斑大小和发散角满足设计要求,完成了光束传输系统中的准直扩束系统的设计与分析。本文的研究成果对浸没式光刻照明系统的设计和工程化具有重要的应用意义和工程参考价值。

2 浸没式光刻机中的照明系统

浸没式光刻机光学系统模型如图1所示,照明系统由光束整形单元、照明模式变换单元、匀光单元等部件组成。根据浸没式光刻照明系统的总体设计要求,掩模面的光束数值孔径NA、掩模尺寸和衍射元件的尺寸是已知的。于是,从掩模面的要求出发,分析扩束传输光路、照明模式变换组件、复眼和复眼会聚镜以及耦合光组各部分之间的相互关系,尤其是激光器的发散角对扩束传输光路的设计,影响着扩束系统倍率取值的大小,激光器位置稳定性和指向稳定性也直接影响着光刻照明系统中后续稳束系统的设计。由于柱面镜特殊成像性质和物像对应关系[12],根据设计要求,采用一片球面镜和两片平凸柱面镜结合的形式进行设计分析。

图1 光学系统结构Fig.1 Schematic diagram of the optical system

3 光束传输系统的设计方案和要求

考虑到激光传输时的位置稳定性和指向稳定性,在设计扩束整形系统时输入参数和输出要求如表1所示。

表1 扩束整形系统要求

(1)

(2)

(3)

表2 准直扩束系统高斯结果

从计算结果可以看出,在原理上该结构能够实现当激光传输距离在5～20 m范围内变化时,不需要调透镜间隔,可保证输出激光光束口径和发散角满足设计指标要求。

3 设计结果和分析

3.1 设计结果

对X方向和Y方向扩束整形系统分开进行设计,水平方向放大倍率为2.07倍,垂直方向放大倍率为2.15倍,水平方向最终发散角为1.2 mrad,垂直方向最终发散角为1.84 mrad,激光传输距离在5～20 m范围内变化时,不需要调透镜间隔,保证目标光束口径在(28.5±0.1)mm范围内,第一光学面(球面镜前表面)到X方向柱面镜后表面距离为122.06 mm,第一光学面到Y方向柱面镜后表面距离为130.95 mm。

然后将设计好的X方向和Y方向扩束整形系统进行整合,发现X柱面镜对Y柱面镜的扩束整形结果有影响,通过调节X向柱面镜与Y向柱面镜之间的距离,即第一光学面到Y方向柱面镜后表面距离调整为131.96 mm时消除了这种影响,保证输出光束满足指标要求。设定整个扩束系统在给定公差条件下口径允许变化1 mm,发散角变化0.1 mrad,进行分差分配,根据误差分配,每个误差源引起的口径变化为0.18 mm,引起的发散角变化为0.018 mrad,按此原则给出相应公差,设计结果如表3所示。

该扩束整形系的结构如图2所示,通过采用球面镜和柱面镜X组合实现对激光光束X方向进行扩束整形,采用球面镜和柱面镜Y组合实现对激光光束Y方向进行扩束整形。

图2 扩束整形系统光学结构图Fig.2 Optical structure of collimating beam expander

Mirror groupR/mmCenter distanced ΔdMaterialAperture NAperture ΔNEccentric difference/(″)RMS/nmD/mm1-38.21163.000.02CaF220.3151-38.2116-123.5327116.060.0230.315-123.53272∞3.000.05CaF2PV≤λ/6RMS≤λ/30100.52∞-116.06566.900.0220.310-116.06563∞3.000.05CaF2PV≤λ/6RMS≤λ/30100.53∞-120.16805～20 m0.3100.5-120.1680

3.2 设计结果分析

从之前的分析和设计结果可以看出,系统能够满足照明系统不用改变距离依然实现传输光路在5～20 m可调的要求。因此,在进行准直扩束系统设计时,需要考虑不同传输距离时光束口径的变化。为实现不同传输距离状态下,其光束口径在(28.5±0.5)mm范围内,X向光束和Y向光束在目标面上的光束口径如图3所示,其中X和Y分别代表X方向和Y方向。

X向光束和Y向光束在目标面上的发散角分别如图4(a)和(b)所示,其中R1光线指视场主光线,R2光线和R3光线指视场边缘光线。

然后,利用ASAP软件对光束经过扩束系统的光线进行追迹,对在传输5 m和20 m位置处的光斑大小进行仿真,其能量分布分别如图5(a)和(b)所示。

图3 扩束系统口径变化曲线Fig.3 Diameter change curve for beam expander system

图4 扩束系统X和Y方向光线发散角Fig.4 Diverpence angle of X and Y direction for beam expander system

图5 激光传输能量分布图Fig.5 Energy distribution for beam expander system

由图5仿真结果可以看出,当激光的传输距离为5 m时,光斑大小为28.04 mm×28.34 mm；当传输20 m远时,光斑大小为28.32 mm×28.22 mm。

因此,由设计结果可以看出,当光束经过扩束系统传输范围为5～20 m时,X方向光斑大小为28.04～28.32 mm,Y方向光斑大小为28.34～28.22 mm,光般尺寸满足设计要求；X方向激光发散角为1.2 mrad,Y方向激光发散角为1.84 mrad,也均满足设计要求(<2 mrad)。

3.3 公差分析

对于设计的准直扩束系统,必须对系统进行公差分析,以保证在加工和装调完成后光束的发散角和口径满足设计要求,其中口径包括X方向口径和Y方向口径,发散角包括X向发散角和Y向发散角。表4为系统公差及影响结果分析。

表4 公差及影响结果分析

两个柱面镜的前表面是平面,所以这两个平面曲率半径的变化对口径和发散角影响很小,同时X向柱面和Y向柱面相互不影响。

3.4 测量结果分析

在完成光学系统的设计和加工之后,完成样机研制,最后对系统形成的光斑进行测试。由于193 nm紫外激光波长本身是不可见的,因此,考虑采用He-Ne激光器代替进行检测。在不同位置处放置靶面进行光斑尺寸的测量,激光器、准直扩束器以及激光传输管道分别如图6(a)、(b)、(c)所示,光斑大小的测量结果如表5所示。

图6 激光传输装置图Fig.6 Diagram of Laser transmission device

从表5可以看出,在不同测量位置光斑尺寸比较接近,在5～20 m测量范围内的光斑大小均满足设计要求。

表5 实际测量光斑

4 结 论

激光光束传输系统是浸没式光刻照明系统中的一个重要组成部分,对光刻机性能起到关键性作用。针对NA1.35激光器在浸没式光刻照明系统中的要求,结合柱面镜的成像特点,提出了采用球面镜和柱面镜组合的光学结构,进行了激光准直扩束系统的设计分析。通过光学系统的设计和公差分析表明该设计能够满足当光束在5～20 m传输距离范围内不用进行间隔的调整也能满足成像光斑尺寸和发散角的要求。在不同的传输距离范围内即5～20 m时,光斑尺寸控制在25～30 mm范围内,激光发散角在X方向激光发散角为1.2 mrad,Y方向激光发散角为1.84 mrad,也均满足设计要求(<2 mrad)。光斑尺寸和激光发散角都能满足设计要求。公差的分析结果也表明了该系统在达到设计要求的前提下允许较宽松的加工容限,同时表明了该系统具有重要的实用价值。