[发明专利]基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法

说明书

本发明的实施例提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法，涉及照明技术领域。基于自由曲面的均匀照明系统包括准直模块、光学积分器和准直扩束系统，准直模块包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；光学积分器用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用；准直扩束系统用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。采用准直模块、光学积分器和准直扩束系统依次设置，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体而言，涉及一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法。

背景技术

在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。

光刻照明系统对照明光场的均匀性通常要求高，不小于94％，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，光刻照明系统的光经过光刻掩模板后曝光效果要好，故对光刻照明系统的出光角要求不大于3度。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法，其能够实现光路紧凑、且满足照明效果。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种基于自由曲面的均匀照明系统，基于自由曲面的均匀照明系统包括：

准直模块，包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；

光学积分器，用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合；

准直扩束系统，用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。

在可选的实施方式中，光学积分器包括多个微透镜阵列。

在可选的实施方式中，准直扩束系统包括依次设置的负透镜组、凸透镜和出光光阑。

第二方面，本发明提供一种基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法，基于自由曲面的均匀照明系统的设计方法包括：

设计准直模块，准直模块包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；

设计光学积分器，光学积分器用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合；

设计准直扩束系统，准直扩束系统用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。

在可选的实施方式中，准直模块的透镜结构采用双自由曲线绕中心轴旋转而成。