[发明专利]均匀照明的微柱面镜阵列及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及光刻机，特别是一种用于紫外光刻机照明系统产生均匀照明的微柱面镜阵列及其设计方法。

背景技术

在先进光刻机的照明系统中，通常需要光强分布均匀性非常好的照明光场，增强光刻系统的分辨率，增大焦深，并改善光刻对比度，从而提高光刻质量。

早期的光刻系统(如荷兰ASML公司的1400系列)采用积分棒来实现均匀照明，积分棒实现均匀照明的原理是让多束子光束在积分棒内壁经过多次全反射后，在积分棒的出口处叠加而形成均匀光场，再利用一个成像镜组把积分棒出口的均匀光场成像于掩模面，从而实现均匀照明。由于光束的多次反射，存在较大的能量损失，所以该匀化方法的能量利用率低；另外，为了提高输出光场的均匀性，需要使反射次数增多，积分棒的长度增大，因此不利于系统尺寸的减小。

为了提高均匀照明光场的能量利用率，并且缩短匀光装置的尺寸，需要采用微透镜阵列(Micro Lens Array)来实现均匀照明。微透镜阵列垂直于光轴放置，其工作原理是：每个微透镜将入射光束切割为尺寸相同的子光束，再经过聚光镜的会聚作用，在聚光镜的焦面上叠加。由于光束通过微透镜阵列时，仅存在反射和吸收损耗，并且可以通过镀增透膜并选用在工作波长吸收系数较小的材料制作，因此可以获得较高的能量利用率。而且微透镜阵列的厚度一般在几个毫米量级，比积分棒通常的几百毫米长度小了很多，有利于减小装置的轴向尺寸。另外，在高数值孔径的光刻机中，要求光学元件引起偏振特性的变化越小越好，和积分棒相比，微透镜阵列具有很好的保偏作用，对光束偏振特性的影响基本可以忽略。

在先技术“用于使光均匀化的装置和用这种装置进行照明或聚焦的结构”(参见专利CN 1997928A)中，公开了产生均匀照明的微柱面镜阵列结构，该结构采用多个柱状透镜组合，用于照明一个面或将激光光源聚集成一条线。该设计所采用的结构并未考虑微透镜间的接缝设计，而根据实际制作工艺，微透镜阵列间会存在5～10μm的接缝，接缝处的面形会严重影响照明光场的均匀性。光刻照明系统对照明光场的非均匀性通常要求＜1％，如果不对接缝的面形进行设计，微透镜阵列的性能将不能满足光刻照明系统的指标要求。其次，该技术设计的单片微透镜阵列正反两面的面形不同，需要加工两块光刻掩模板，从而提高了制造的成本，而且装配工艺需要确定微透镜阵列的前后表面，也增加了装配的时间和成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种用于紫外光刻机照明系统产生均匀照明的微柱面镜阵列及其设计方法，该微柱面镜阵列提高了光刻机照明系统的照明均匀性，有利于降低加工和装配的成本。该设计方法适用于任何紫外光波段的微柱面镜阵列设计。

本发明所述的紫外光波段包括365nm、248nm、193nm，甚至更短的波长。

本发明的技术解决方案如下：

一种均匀照明的微柱面镜阵列，该微柱面镜阵列位于紫外光刻机的入射光束和聚光镜之间，其特点在于该微柱面镜阵列的构成包括第一光学基底和第二光学基底，所述的第一光学基底第二光学基底均垂直于光轴放置，且中心线位于该光轴上；每块光学基底垂直于光轴的前表面和后表面均完全被所述的微柱面镜阵列所覆盖，所述的微柱面镜阵列的表面为凸柱面透镜及其之间的凹形接缝平滑连接的周期排列结构；单块微柱面镜阵列前表面上的微凸柱面透镜的面形结构和后表面上的微凸柱面透镜的面形结构成镜面对称，且后表面位于前表面微凸柱面透镜的像方焦面，所述的第一光学基底前表面和后表面上的微凸柱面透镜和凹形接缝的母线方向沿X轴或Y轴方向；第二光学基底上的微凸柱面透镜和凹形接缝的母线方向则沿Y轴或X轴方向，所述的聚光镜的物方焦面位于所述的第一光学基底后表面和第二光学基底后表面之间的某一位置。

所述的微柱面镜阵列的设计方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①确定所述微凸柱面镜光学基底的厚度d和周期宽度(l_a+l_b)：

首先确定如下参数：聚光镜的焦距f_c，输出光强分布的尺寸D，激光器的波长λ，微柱面镜阵列的材料在此波长下的折射率n_λ和入射光束的通光口径φ；