一、研究背景

光刻機是目前集成電路芯片制造的備工具，照明系統是光刻機的核心分系統之一，為掩模面提供均勻照明、控制曝光劑量并實現不同的照明模式。其中，勻光單元用于實現照明均勻化，其設計直接影響照明系統乃至光刻機的性能。

用于光刻機照明系統的勻光元件有積分棒、微透鏡陣列（MLA）、衍射光學元件（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勻光單元。積分棒結構簡單，加工難度和成本較低，但在小數值孔徑情況下需要非常大的長寬比才能達到較好的勻光效果，占用空間較長，且數值孔徑不宜過大。MLA適用于大數值孔徑情況，能量損耗非常小、不影響激光束的偏振、縱向長度短，但MLA方案結構復雜度高、加工難度大。采用單一種類器件的勻光方案，難以在滿足光刻照明均勻性要求的前提下兼顧系統長度、結構復雜度與加工難度。因此有要尋找更優的光刻機照明系統勻光單元方案。

二、創新工作

結合積分棒勻光和MLA勻光兩種方案的優勢，中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室提出一種單排平凸微柱面鏡陣列（PCMCLA）與小長寬比積分棒相結合的勻光單元方案，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，每個微柱面鏡和聚光鏡組組成了無焦擴束系統。在X方向上，PCMCLA將入射的環形照明光束分割為多個子光束，各子光束經擴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。再經積分棒勻化，最終在積分棒出射端得到一個矩形均勻光場。與采用單一種類器件的勻光方案相比，該方案能夠更好地兼顧系統長度與可制造性。

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

如圖2，在X方向上對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與微柱面鏡出射光線的方向余弦為線性關系：

式中：θM為微柱面鏡的出射光線與所建坐標系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；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處光線方向余弦的理論值作為目標值，將各視場各歸一化光瞳的光線方向余弦與其理論值的偏差的加權平方和作為勻光單元中的微柱面鏡和聚光鏡組設計的自動優化評價函數：

式中：i為視場編號；j為歸一化光瞳編號；Wi,j為第個視場、第j個歸一化光瞳的權重；圖片為對應光線出射方向余弦的真實光線追跡值；圖片為對應光線出射方向余弦的理論值。

基于上述方案和評價函數對KrF光刻機照明系統勻光單元進行光學設計（以“A"為標識），同時將基于傳統彌散斑RMS評價函數的設計作為對照組（以“B"為標識），對兩種設計結果的初步評價表明，基于所構建評價函數獲得的優化設計結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 軟件中對所設計勻光單元進行了照明均勻性仿真，得到積分棒輸入光場和輸出光場的照度分布如圖5所示。傳統照明與環形照明模式下，基于所構建評價函數設計的勻光單元輸出光場照明積分不均勻性（IINU）小于0.60%，且在每種部分相干因子下均明顯優于對照組，驗證了所提勻光單元方案的可行性和評價函數的性。在此基礎上，對該勻光單元采用靜態灰度濾波法進行均勻性校正，使IINU小于0.43%，滿足了IINU小于0.46%的設計指標。

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；(b)輸出光場

三、總結

所提勻光單元在滿足光刻照明均勻性要求的前提下，兼顧了系統長度、結構復雜度與加工難度等要求。目前，本勻光單元設計尚未全面地對加工和裝配誤差的影響進行評估，后續需要開展公差分析和實驗驗證等工作。

參考文獻： 中國光學期刊網

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