关于高分辨率投影光刻机光瞳整形技术的分析

王友旺　林盛浩

【摘 要】本文就针对目前高分辨率投影光刻机所实现的高成像性能、高分辨率进行阐述，并对高分辨率投影光刻机系统下，不同光瞳整形技术的原理、设计、性能等进行回顾性分析。

【关键词】高分辨率投影光刻机；光瞳整形；光学制造

高分辨率投影光刻机光瞳整形技术主要是指一种光刻照明用光瞳整形的装置，其利用连续变焦透镜组、转盘组织、控制器等元件的相互作用，形成整形所需要的照明光瞳分布。高分辨率投影光刻机具有分辨率高、成像性能佳、系统操作简单等优势，其较传统的锥形镜组在光瞳整形技术应用中存在的诸多劣化问题，可起到十分显著的克服与完善作用。

1.研究资料

根据胡中华[1]等人的研究，结合日本Nikon、日本Canon、荷兰ASML（所用镜头产自德国）、德国SUSS等国外著名品牌企业所生产的高端、高分辨率投影式光刻机，再根据我国上海微电子装备有限公司（SMEE）自主研发、生产的投影式低端光刻机等，对高分辨率投影光刻机的结构、原理、性能、特点等进行分析。再对利用高分辨投影光刻机来实现光瞳整形的现状进行探究。

2.高分辨率投影光刻机的概述

近年来，随着高分辨率投影光刻机的研发，其性能指标也有了更高的发展，通过对高分辨率投影光刻机的现状来看，此仪器主要的性能指标包括有：分辨率高、对准精度高、曝光方式先进、光源波长良好、光强均匀性强、生产效率高等。由于高分辨率投影光刻机具有的诸多优势，其在人们生产生活中的应用也更具发展前景。

3.高分辨率投影光刻机光瞳整形技术

高分辨率投影光刻机在使用过程中，需要针对不同的掩模结构，采用相对应的离轴照明模式来增强光刻的分辨力，并增大焦深和提高成像的对比度，进而达到更加良好的成像性能效果。而其中所需要的照明模式，主要是通过光瞳整形技术来进行实现。光瞳整形主要是指在光刻照明系统当中，采取所设计的特殊光学元件，来调整入射激光束的强度以及相位的分布，进而在光瞳面上获取所需的特定光强分布。

3.1衍射光学元件下的光瞳整形技术分析

近年来，随着科技的快速发展，激光技术在各领域的应用也越来越广泛，但是由于激光光束传播路径、光强分布等方面的一些特性，也使得它的应用受到了一定程度的限制。基于以上因素的考虑，在高科技的发展下，为能够有效地提高激光技术的应用水平，拓展其应用领域，采取科学、合理的措施对激光束进行整形也已成为必然的趋势。而衍射光学元件因具有重量轻、体积小、造价较低、容易复制、设计自由、色散性能强、材料选择面广、衍射效率高等优势，使得其在整形技术中有着非常广阔的应用前景。而随着高分辨率投影光刻机的不断发展广泛应用，其为了产生多种的照明模式，也将衍射光学元件充分地应用到了投影光刻机当中，进而也有效地实现的环形照明、二级照明、四级照明、自由照明等照明模式。衍射光学元件下的光瞳整形技术工作原理、设计、性能如下所示：

⑴工作原理。基于衍射光学元件下所实现的离轴照明原理主要是指：将光波入射于专门设计的衍射光学元件之上，并通过对衍射光学元件的相位、振幅的相应调制，使其能够在投影物镜光瞳的共轭面形成一种独特地衍射花样，进而实现高分辨率投影光刻机离轴照明模式所需要的光瞳整形。

⑵设计方式。衍射光学元件的设计主要是指将已知输入与输出求相位恢复的一个过程，其以物理光学标量衍射理论作为依据，再结合迭代傅里叶变换算法，计算出衍射光学的相位分布。而为了有效地完成衍射光学元件基于衍射理论下的设计任务，需充分地考虑到衍射问题的复杂性，并选择最为合适的优化算法，另外，还需建立合适的理论模型，以保证衍射光学元件设计的合理性。

⑶性能特点。将衍射光学元件应用于光瞳整形技术中时，具有整形灵活、操作简单等优势。其可以通过衍射光学元件上相位的分布与设计，来实现包括二极、四级、自由照明等任意的光瞳花样。另外，衍射光学元件还实现了输出数值孔径的可控调节，并可得到较高的衍射效率输出，进而使得其能量的利用率也得到了大幅的提高。但是，衍射光学元件对入射光束的误差比较敏感，若入射倾斜则会使得远场花样偏心，进而会增大光瞳椭圆度，并降低极平衡性；且其还会出现一定程度的散斑噪声影响，使远场花样的均匀性变差。针对以上特性，也应提高重视，并采取相应的手段尽量降低这些不良影响的发生率[2]。

3.2微反射镜阵列下的光瞳整形技术分析

近年来，在高分辨投影光刻机当中，荷兰的ASML公司研发出了一种FlexRay可编程照明技术，其主要是通过对可编程MMA的控制来实现光瞳整形的目的，而这种可编程MMA又是由成千上万个微反射镜成组成的。微反射镜阵列下光瞳整形技术的工作原理、设计与性能如下所示：

⑴工作原理。微反射镜阵列下光瞳整形技术是指利用微反射镜阵列方位的控制，以实现特定的光瞳图形。在数千个微反射镜所组成的阵列中，每个微反射镜均可反射出一个光点到光瞳面上，其通过对微反射镜方位角度的调整，来改变光瞳面上的光斑位置。

⑵设计方式。微反射镜阵列的设计与制作是在微机电系统技术的基础上进行的，其微反射镜是由单晶硅制造而成的。通过硅基质表面形成的一对电极，于基质与电极上再沉积一层牺牲层，并定义主干形成相应的支架，再于支架上沉积一层柔韧性强的材料，之后于材料上沉积金属层，再对其进行刻蚀，从而形微反射镜，将每个刻蚀好的微反射镜组织在一起，成为微反射镜阵列。

⑶性能特点。基于微反射阵列下的光瞳整形技术，其主要可以产生二级、四级、自由照明模式。微反射阵列由于属于可编程的照明技术，其也实现了操作快捷、简单、方便的特性。采用微反射阵列技术，还能够有效地避免折射系统由于器件表面反射及吸收而造成的光能损失，但是其对于面形误差较为敏感，因此在使用时也需额外注意。

3.3微透镜阵列下的光瞳整形技术分析

微透镜阵列下的光瞳整形技术主要是指其通过对光束的分割，对子光束的叠加，进而来实现整形的目标。而基于微透镜阵列下的光瞳整形技术，其可以有效地避免入射激光光束强分布不均匀的不良现象，从而达到均匀照明的目的。微透镜阵列下光瞳整形技术的工作原理、设计与性能如下所示：

⑴工作原理。基于微透镜阵列下的高分辨率投影光刻机目前已经实现了形状为环形、六边形、矩形的二级、四级等照明模式。其中，二级照明模式主要是由柱面微透镜组成的单层微透镜阵列而实现的，此照明模式的每一层均有强度分布匀称或是自定义的强度梯度；而四级照明模式主要是指将两个垂直交错并产生二级照明模式的柱面小透镜阵列进行结合，从而实现的一种照明。

⑵设计方式。在高分辨率投影光刻机的照明系统中采用了傅里叶透镜，因此也使得由微透镜阵列所出射的特定角度光线，均会经过场镜在目标平面上形成一个斑点。因此，在设计二级照明模式时，要尽量将零度左右的角度避开，使其可以在远场获取到有比较均匀且对称分布的二级照明。在进行微透镜阵列的设计与制造时，为了能够达到预期的效果，多将热熔胶工艺应用于其中。其是通过对光刻胶的加热与融化，并经由表面张力来形成柱面、球面等形状的小型透镜，再通过刻蚀将此些小型透镜顺利地转移到基底上。采用热熔胶工艺时，由于其只应用需要应用一次光刻，进而也保证了其对斜坡误差、掩模对准误差等不是过于敏感。但其对于面形误差有较高的敏感度，若刻蚀尝试出现误差则会导致焦距或远场孔径角的变化，因此对其缺点也需特点的注意[2]。

⑶性能特点。微透镜阵列下的光瞳整形由于对入射光的发散角与倾斜不是特别敏感，且其所产生的远场光斑也十分均匀，加之不会引起散射损耗与高阶衍射损耗，因此其也具有较高的能量利用率。但采用微透阵列也存在不能实现任意照明模式的缺憾。

综上所述，在高分辨投影光刻机照明系统中，光瞳整形技术属于其中的关键技术之一，光瞳整形效果的良好性对照明系统的性能起到了十分重要的影响。基于以上因素考虑，在保证能够实现不同照明模式的前提下，光瞳整形技术中元件的使用与设计一定要科学、合理，并严格根据光瞳整形的实际要求来选择适宜的整形技术。从而也使高分辨率投影光刻机光瞳整形技术在应用中能够发挥出最大程度的优势。 [科]

【参考文献】

[1]胡中华，杨宝喜，朱菁，肖艳芬，曾爱军，黄惠杰.用于投影光刻机光瞳整形的衍射光学元件设计[J].中国激光，2013，40（06）：1-5.

[2]施颖.激光投影光刻机光学对位技术研究[D].广东工业大学：物理电子学，2012.

[3]肖艳芬.光刻机照明均匀化技术的研究[D].中国科学院研究生院：光学工程，2012.