一種用于深紫外光刻的激光準直擴束系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，包括第一柱面鏡、第二柱面鏡、平面反射鏡和球面鏡，其中球面鏡分別與第一柱面鏡和第二柱面鏡組成兩個準直擴束器，用于對激光器發射出的激光光束進行準直擴束；激光光束依次經過第一柱面鏡和第二柱面鏡，接著再被平面反射鏡反射，然后再經過球面鏡被送入傳輸光路，最終進入光刻機的光源輸入口。本激光準直擴束系統較之其他方式結構更為緊湊，適用于安裝集成，可以適應不同的傳輸距離，對距離調節的精度要求不高，通過簡單的調節裝置即可實現，使用方便且成本低。
【專利說明】一種用于深紫外光刻的激光準直擴束系統

【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光準直擴束領域，更具體地，涉及一種用于深紫外光刻的激光準直 擴束系統。

【背景技術】
[0002] 光刻機是目前微電子領域的主流設備，光刻機將激光器產生的光束傳送到曝光單 元，并將掩模板上的圖形成像到工件臺的硅片面上。這類光刻機最核心的部件是投影曝光 光學系統，該系統又分為照明系統和投影物鏡兩個主要組成部分。照明系統的作用是為整 個掩模面提供高均勻性照明、控制曝光劑量和實現離軸照明模式，以提高光刻系統分辨率 和增大焦深。
[0003] 擴束單元是照明系統的重要組成部分，193nm光刻系統采用ArF準分子激光器作 為光源，準分子激光器出射光束一般為帶狀（出射光束的截面為矩形），且口徑通常只有十 幾毫米，該形狀和口徑不能滿足光刻照明需用寬光束的要求，使用時需對激光器發射光束 進行擴束。同時，由激光器發射的光束發散角達到3毫弧度甚至更高，該發散角不符合高均 勻性照明要求，且過大的發散角使得激光光束在光路傳輸末端的截面尺寸大于使用要求。 激光器在使用時需要對該發散角進行準直，發散角越小準直程度越高，激光準直擴束系統 的作用就是使激光光束擴束成一定形狀、大小的準直光束，同時降低激光發散角。
[0004] 擴束單元內部需要進行微正壓充氣凈化以免光學元件表面與氣體發生反應而導 致損傷，故擴束單元結構簡單以使保護氣體均勻分布。擴束器集成在激光器出口或光路傳 輸單元入口，其整體處于受限空間內，尺寸不宜過大。
[0005] 在中國科學院光電技術研宄所申請的專利201410019186. 5中，介紹了一種利用 負光焦度球面鏡進行光束發散，利用X方向和Y方向兩正光焦度柱面鏡進行準直的擴束系 統。該系統鏡片間隔調節量為0.3mm左右，對應于其5-15m的激光傳輸范圍。例如，對應 于傳輸距離15m的變化范圍，該系統的鏡片間隔調整量只有0. 433_和0. 254_，相當于傳 輸距離若變動lm，相應的鏡片調整量為0. 029mm和0. 017mm，精度要求很高，往往需要特殊 的裝置才能實現如此高的精度調節。此外，該系統適合于激光器輸出光斑為正方形的情況 (即，X方向光束尺寸等于Y方向光束尺寸），但在實際深紫外光刻應用中，所用準分子激光 器的輸出光斑往往為長方形，尤其是對于激光器輸出光束在X、Y方向尺寸相差較大情況， 則需要保證該系統中球面鏡與第一柱面鏡的間距要很小，而球面鏡與第二柱面鏡的間距很 大，導致該系統整體尺寸會很長，不利于系統集成；而且，在球面鏡與第一柱面鏡間距很小 的條件下，也不利于保護氣體流通，會導致激光產生的熱量聚集引起結構變形而影響輸出 光束的穩定性和鏡片壽命。
[0006] 在中國科學院長春光學精密機械與物理研宄所申請的專利200910217314. 6中， 介紹了一種通過改變透鏡間隔來調節擴束倍率和發散角的方法。該技術也僅適用于出射激 光光束X、Y方向通光口徑相同且發散角相同的情況，對于要求激光光束X、Y方向通光口徑 或發散角不相同的情況，該技術并不能通過調節激光傳輸距離使最終光束形狀尺寸和發散 角滿足使用要求。


【發明內容】

[0007] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種用于深紫外光 刻的激光準直擴束系統，其中通過對其激光準直擴束的原理、關鍵組件的結構及連接關系、 調節方式、裝配方式等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決對激光準直擴束系統調節 精度要求高的問題，并且，即使在激光器輸出矩形光斑長寬差別較大的情況下，該激光準直 擴束系統仍能保證該系統的尺寸變化小、便于與光刻系統集成。
[0008] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于深紫外光刻的激光準 直擴束系統，其特征在于，包括第一柱面鏡、第二柱面鏡、平面反射鏡和球面鏡，其中所述球 面鏡分別與第一柱面鏡和第二柱面鏡組成兩個準直擴束器，用于對激光器發射出的激光光 束進行準直擴束；
[0009] 所述激光光束依次經過所述第一柱面鏡和第二柱面鏡，接著再被所述平面反射鏡 反射，然后再經過所述球面鏡被送入傳輸光路，最后進入光刻機的光源輸入口；
[0010] 其中當以激光光束中心光束的傳播方向為Z軸正方向，建立笛卡爾直角坐標系， 則，
[0011] 所述第一柱面鏡光焦度在X方向且為負，用于在X軸方向上發散所述激光光束；
[0012] 所述第二柱面鏡光焦度在Y方向且為負，用于在Y軸方向上發散所述激光光束；
[0013] 所述平面反射鏡用于反射所述激光光束；
[0014] 所述球面鏡的光焦度為正，用于在X軸和Y軸兩個方向上準直所述激光光束。
[0015] 作為本發明的進一步優選，所述平面反射鏡對激光光束進行反射，使激光光束的 中心光束的傳播方向偏轉90°。
[0016] 作為本發明的進一步優選，所述球面鏡與光刻機的光源輸入口之間的距離為激光 傳輸距離，當激光傳輸距離變化時，通過調節以下至少一種參量來獲得準直擴束的激光光 束：所述激光光束從第一柱面鏡到球面鏡的傳播路程、以及所述激光光束從第二柱面鏡到 球面鏡的傳播路程。
[0017] 作為本發明的進一步優選，所述第一柱面鏡為氟化鈣柱面鏡，所述第二柱面鏡為 熔融石英柱面鏡。
[0018] 作為本發明的進一步優選，所述激光光束的中心光束經過所述第一柱面鏡、第二 柱面鏡和球面鏡的中心。
[0019] 作為本發明的進一步優選，所述激光光束的波長為193nm。
[0020] 作為本發明的進一步優選，所述用于深紫外光刻的激光準直擴束系統還包括第二 平面反射鏡和第二球面鏡，所述激光光束依次經過所述第一柱面鏡和第二柱面鏡，接著再 被所述平面反射鏡反射，然后再經過所述球面鏡被所述第二平面反射鏡反射，接著再經過 所述第二球面鏡被送入所述傳輸光路；
[0021] 所述第二平面反射鏡用于反射所述激光光束；
[0022] 所述第二球面鏡的光焦度為正，用于在X軸和Y軸兩個方向上準直所述激光光束。
[0023] 作為本發明的進一步優選，所述第一柱面鏡、第二柱面鏡和球面鏡分別安裝在第 一鏡片安裝座、第二鏡片安裝座和第三鏡片安裝座上，所述第一鏡片安裝座、第二鏡片安 裝座和第三鏡片安裝座都設置有靠邊，分別用于定位所述第一柱面鏡、第二柱面鏡和球面 鏡；
[0024] 所述第一鏡片安裝座和第二鏡片安裝座通過定位銷分別與第一直線導軌滑塊和 第二直線導軌滑塊連接；
[0025] 所述第一直線導軌滑塊和第二直線導軌滑塊安裝在直線導軌上；
[0026] 所述直線導軌安裝在所述直線導軌墊塊上；
[0027] 所述第三鏡片安裝座也安裝在所述直線導軌墊塊上。
[0028] 作為本發明的進一步優選，所述直線導軌墊塊具有靠邊，用于定位所述直線導軌 和第三鏡片安裝座。
[0029] 通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，具有以下有益效果：
[0030] 1)本激光準直擴束系統由第一柱面鏡、第二柱面鏡、平面反射鏡和球面鏡構成，球 面鏡分別與第一柱面鏡和第二柱面鏡組成兩個準直擴束器。第一柱面鏡光焦度在X方向且 為負，對激光器發射的激光光束在X方向起發散作用；第二柱面鏡光焦度在Y方向且為負， 對激光光束在Y方向起發散作用。平面反射鏡對光路進行90度反射。球面鏡的光焦度為 正，對激光光束在X、Y兩個方向起準直作用。本激光準直擴束系統較之其他方式結構更為 緊湊，適用于安裝集成。
[0031] 2)當激光傳輸距離改變時，通過調節第一柱面鏡與球面鏡之間的距離來補償因激 光傳輸距離改變而導致的激光光束X方向寬度和發散角變化，調節第二柱面鏡與球面鏡之 間的距離來補償因激光傳輸距離改變而導致的激光光束Y方向寬度和發散角變化，這使得 本擴束系統可以適應不同的傳輸距離，同時由于該系統對距離調節的精度要求不高，通過 簡單的調節裝置（例如，機械結構等）即可實現，使用方便且成本低。另外，即使在激光器 輸出光斑不規則的條件下，該激光準直擴束系統仍能保證該系統的尺寸變化小、便于與光 刻系統集成；球面鏡、第一柱面鏡和第二柱面鏡之間的間距適當，有利于激光的熱量散發， 對確保激光擴束精度、延長系統的使用壽命等均有積極作用。
[0032] 3)本激光準直擴束系統第一柱面鏡材料為氟化鈣，氟化鈣在深紫外區域具有高透 過率和激光損傷閾值避免了傳統的石英玻璃在深紫外激光輻照下會形成色心及產生光致 收縮效應導致低透過率問題。第二柱面鏡、平面反射鏡和球面鏡材料均為熔融石英，其光學 性能良好且價格低廉，同時配合氟化鈣材料達到了消色差的目的。整體選材良好兼顧了功 能性與成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是本發明中激光準直擴束系統的原理示意圖，其中各裝置部件位置為它們在 YOZ平面上的投影位置的示意；
[0034] 圖2是應用本發明中激光準直擴束系統方案的擴束器結構示意圖；
[0035] 圖3是本發明激光準直擴束系統裝配結構示意圖；
[0036] 圖4是本發明實施例2中激光準直擴束系統擴展應用原理示意圖，其中各裝置部 件位置為它們在YOZ平面上的投影位置的示意。
[0037] 圖中各附圖標記的含義如下：1為激光器輸出光束X方向不意（S卩，激光器輸出光 束在XOZ平面上的投影示意）；2為激光器輸出光束Y方向示意（S卩，激光器輸出光束在YOZ 平面上的投影示意）；3為第一柱面鏡；4為第二柱面鏡；5為平面反射鏡；6為球面鏡；7為 光刻機光源輸入口；8為第二平面反射鏡；9為第二球面鏡；10為激光器輸出光束的中心光 束的傳輸路徑示意；11為擴束器外框；12為第一柱面鏡安裝座；13為直線導軌；14為第二 柱面鏡安裝座；15為反射鏡安裝調整架；16為第一球面鏡安裝座；17為直線導軌滑塊1 ; 18 為螺母1 ;19為絲杠1 ;20為直線導軌滑塊2 ;21為螺母2 ;22為絲杠2 ;23為定位銷；24為 直線導軌墊塊。

【具體實施方式】
[0038] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0039] 實施例1
[0040] 圖1為激光準直擴束系統原理示意圖，激光準直擴束系統由第一柱面鏡3、第二柱 面鏡4、平面反射鏡5和球面鏡6構成，球面鏡6分別與第一柱面鏡3和第二柱面鏡4組成 兩個準直擴束器。由于激光光束可能存在發散角，在本發明中以光束中心光束的傳播方向 作為整個光束的傳播方向。以激光器輸出光束的中心光束的傳播方向沿Z軸正方向為例， 建立笛卡爾直角坐標系，第一柱面鏡3光焦度在X方向且為負，對激光器發射激光光束的橫 截面在X方向起發散作用；第二柱面鏡光焦度在Y方向且為負，對激光光束的橫截面在Y方 向起發散作用，Y方向上的光焦度對X方向光束特性不產生任何影響。平面反射鏡5對光路 進行90度反射（由于光束可能存在發散角，這里是以光束的中心光束的參考，即平面反射 鏡5對光路進行反射使中心光束偏轉90度）。球面鏡6的光焦度為正，對激光光束在X、Y 兩個方向起準直作用。光源輸入口 7為光刻機部件，激光傳輸距離定義為擴束系統出口經 過傳輸光路到光源輸入口 7的中心光束傳輸的距離，即d67。上述各部件的中心與激光光束 的中心重合（即，中心光束經過上述各部件的中心）。所述傳輸光路可以是由連接在擴束 器和光刻機光源輸入口之間的一系列組件構成，這些組件包括光束傳輸管道以及光束反射 點。
[0041] 深紫外的光一般是指波長在200nm以下的光，本實施例選取中心波長為193nm的 深紫外ArF激光光源，該激光光源出射的光束為一截面為矩形光束，從激光光源輸出的激 光光束以其中心光束的傳播方向設定為Z軸正方向，矩形截面的邊分別平行于X軸或Y軸， 建立笛卡爾三維直角坐標系，相應的光束參數如下：
[0042] 光束截面X方向尺寸2mm，X方向發散角2. 5mrad;
[0043] 光束截面Y方向尺寸13mm，Y方向發散角3. 5mrad。
[0044] 所述準直擴束是指激光的光束截面（光束截面的法線與光束傳播方向平行）尺 寸變大，并且光束傳播的發散角滿足角度要求。要求經過準直擴束系統后輸出光束參數如 下：
[0045] 激光傳輸距離在5-15m范圍內可調；
[0046] 光束截面X方向尺寸20mm，X方向發散角<I. 5mrad;
[0047] 光束截面Y方向尺寸20mm，Y方向發散角< I. 5mrad。
[0048] 如圖1所示，激光器發出的光束截面在X方向邊緣的傳播路徑表示為光線1，在Y 方向邊緣的傳播路徑表示為光線2,光束投射到第一柱面鏡3,第一柱面鏡3在X方向光焦 度為負，對光束在X方向起發散作用，因此經過第一柱面鏡3后激光光束在X方向發散，Y方 向沒有改變。光束投射到第二柱面鏡4,第二柱面鏡4在Y方向光焦度為負，對光束在Y方 向起發散作用，因此經過第二柱面鏡4后激光光束在Y方向發散，X方向沒有改變。平面反 射鏡5的法線方向與光束傳播方向（即，Z軸正方向）呈45度夾角（平面反射鏡5所在的 平面垂直于YOZ平面），光束投射到平面反射鏡5發生反射、產生90度偏轉射向球面鏡6。 球面鏡6光焦度為正，對光束進行匯聚。由此，第一柱面鏡3與球面鏡6組成一個準直擴束 器，對激光光束X方向進行準直擴束；第二柱面鏡4與球面鏡6組成一個準直擴束器，對激 光光束Y方向進行準直擴束。
[0049] 表1擴束系統的具體參數

【權利要求】
1. 一種用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，包括第一柱面鏡、第二柱面 鏡、平面反射鏡和球面鏡，其中所述球面鏡分別與第一柱面鏡和第二柱面鏡組成兩個準直 擴束器，用于對激光器發射出的激光光束進行準直擴束； 所述激光光束依次經過所述第一柱面鏡和第二柱面鏡，接著再被所述平面反射鏡反 射，然后再經過所述球面鏡被送入傳輸光路，最后進入光刻機的光源輸入口； 其中當以激光光束中心光束的傳播方向為Z軸正方向，建立笛卡爾直角坐標系，則， 所述第一柱面鏡光焦度在X方向且為負，用于在X軸方向上發散所述激光光束； 所述第二柱面鏡光焦度在Y方向且為負，用于在Y軸方向上發散所述激光光束； 所述平面反射鏡用于反射所述激光光束； 所述球面鏡的光焦度為正，用于在X軸和Y軸兩個方向上準直所述激光光束。
2. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述平面 反射鏡對激光光束進行反射，使激光光束的中心光束的傳播方向偏轉90°。
3. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述球面 鏡與光刻機的光源輸入口之間的距離為激光傳輸距離，當激光傳輸距離變化時，通過調節 以下至少一種參量來獲得準直擴束的激光光束：所述激光光束從第一柱面鏡到球面鏡的傳 播路程、以及所述激光光束從第二柱面鏡到球面鏡的傳播路程。
4. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述第一 柱面鏡為氟化鈣柱面鏡，所述第二柱面鏡為熔融石英柱面鏡。
5. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述激光 光束的中心光束經過所述第一柱面鏡、第二柱面鏡和球面鏡的中心。
6. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述激光 光束的波長為193nm。
7. 如權利要求1所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在于，所述用于 深紫外光刻的激光準直擴束系統還包括第二平面反射鏡和第二球面鏡，所述激光光束依次 經過所述第一柱面鏡和第二柱面鏡，接著再被所述平面反射鏡反射，然后再經過所述球面 鏡被所述第二平面反射鏡反射，接著再經過所述第二球面鏡被送入所述傳輸光路； 所述第二平面反射鏡用于反射所述激光光束； 所述第二球面鏡的光焦度為正，用于在X軸和Y軸兩個方向上準直所述激光光束。
8. 如權利要求1 一 7任意一項所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征在 于，所述第一柱面鏡（3)、第二柱面鏡（4)和球面鏡（6)分別安裝在第一鏡片安裝座（12)、 第二鏡片安裝座（14)和第三鏡片安裝座（16)上，所述第一鏡片安裝座（12)、第二鏡片安裝 座（14)和第三鏡片安裝座（16)都設置有靠邊，分別用于定位所述第一柱面鏡（3)、第二柱 面鏡⑷和球面鏡（6); 所述第一鏡片安裝座（12)和第二鏡片安裝座（14)通過定位銷分別與第一直線導軌滑 塊（17)和第二直線導軌滑塊（20)連接； 所述第一直線導軌滑塊（17)和第二直線導軌滑塊（20)安裝在直線導軌（13)上； 所述直線導軌（13)安裝在所述直線導軌墊塊（24)上； 所述第三鏡片安裝座（16)也安裝在所述直線導軌墊塊（24)上。
9. 如權利要求1 一 8任意一項所述的用于深紫外光刻的激光準直擴束系統，其特征 在于，所述直線導軌墊塊（24)具有靠邊，用于定位所述直線導軌（13)和第三鏡片安裝座 (16)〇
【文檔編號】G02B1/00GK104516117SQ201410837282
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月29日 優先權日:2014年12月29日
【發明者】李小平, 陳權, 雷敏, 章偉 申請人:華中科技大學