一种用于深紫外光刻的激光准直扩束系统.pdf

本发明公开了一种用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，包括第一柱面镜、第二柱面镜、平面反射镜和球面镜，其中球面镜分别与第一柱面镜和第二柱面镜组成两个准直扩束器，用于对激光器发射出的激光光束进行准直扩束；激光光束依次经过第一柱面镜和第二柱面镜，接着再被平面反射镜反射，然后再经过球面镜被送入传输光路，最终进入光刻机的光源输入口。本激光准直扩束系统较之其他方式结构更为紧凑，适用于安装集成，可以适应不同的传输距离，对距离调节的精度要求不高，通过简单的调节装置即可实现，使用方便且成本低。

权利要求书
1.  一种用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征在于，包括第一 柱面镜、第二柱面镜、平面反射镜和球面镜，其中所述球面镜分别与第一 柱面镜和第二柱面镜组成两个准直扩束器，用于对激光器发射出的激光光 束进行准直扩束；
所述激光光束依次经过所述第一柱面镜和第二柱面镜，接着再被所述 平面反射镜反射，然后再经过所述球面镜被送入传输光路，最后进入光刻 机的光源输入口；
其中当以激光光束中心光束的传播方向为Z轴正方向，建立笛卡尔直 角坐标系，则，
所述第一柱面镜光焦度在X方向且为负，用于在X轴方向上发散所述 激光光束；
所述第二柱面镜光焦度在Y方向且为负，用于在Y轴方向上发散所述 激光光束；
所述平面反射镜用于反射所述激光光束；
所述球面镜的光焦度为正，用于在X轴和Y轴两个方向上准直所述激 光光束。

2.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述平面反射镜对激光光束进行反射，使激光光束的中心光束的传 播方向偏转90°。

3.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述球面镜与光刻机的光源输入口之间的距离为激光传输距离，当 激光传输距离变化时，通过调节以下至少一种参量来获得准直扩束的激光 光束：所述激光光束从第一柱面镜到球面镜的传播路程、以及所述激光光 束从第二柱面镜到球面镜的传播路程。

4.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述第一柱面镜为氟化钙柱面镜，所述第二柱面镜为熔融石英柱面 镜。

5.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述激光光束的中心光束经过所述第一柱面镜、第二柱面镜和球面 镜的中心。

6.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述激光光束的波长为193nm。

7.  如权利要求1所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其特征 在于，所述用于深紫外光刻的激光准直扩束系统还包括第二平面反射镜和 第二球面镜，所述激光光束依次经过所述第一柱面镜和第二柱面镜，接着 再被所述平面反射镜反射，然后再经过所述球面镜被所述第二平面反射镜 反射，接着再经过所述第二球面镜被送入所述传输光路；
所述第二平面反射镜用于反射所述激光光束；
所述第二球面镜的光焦度为正，用于在X轴和Y轴两个方向上准直所 述激光光束。

8.  如权利要求1－7任意一项所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束 系统，其特征在于，所述第一柱面镜(3)、第二柱面镜(4)和球面镜(6) 分别安装在第一镜片安装座(12)、第二镜片安装座(14)和第三镜片安 装座(16)上，所述第一镜片安装座(12)、第二镜片安装座(14)和第 三镜片安装座(16)都设置有靠边，分别用于定位所述第一柱面镜(3)、 第二柱面镜(4)和球面镜(6)；
所述第一镜片安装座(12)和第二镜片安装座(14)通过定位销分别 与第一直线导轨滑块(17)和第二直线导轨滑块(20)连接；
所述第一直线导轨滑块(17)和第二直线导轨滑块(20)安装在直线 导轨(13)上；
所述直线导轨(13)安装在所述直线导轨垫块(24)上；
所述第三镜片安装座(16)也安装在所述直线导轨垫块(24)上。

9.  如权利要求1－8任意一项所述的用于深紫外光刻的激光准直扩束 系统，其特征在于，所述直线导轨垫块(24)具有靠边，用于定位所述直 线导轨(13)和第三镜片安装座(16)。

说明书一种用于深紫外光刻的激光准直扩束系统
技术领域
本发明属于激光准直扩束领域，更具体地，涉及一种用于深紫外光刻 的激光准直扩束系统。
背景技术
光刻机是目前微电子领域的主流设备，光刻机将激光器产生的光束传 送到曝光单元，并将掩模板上的图形成像到工件台的硅片面上。这类光刻 机最核心的部件是投影曝光光学系统，该系统又分为照明系统和投影物镜 两个主要组成部分。照明系统的作用是为整个掩模面提供高均匀性照明、 控制曝光剂量和实现离轴照明模式，以提高光刻系统分辨率和增大焦深。
扩束单元是照明系统的重要组成部分,193nm光刻系统采用ArF准分子 激光器作为光源，准分子激光器出射光束一般为带状(出射光束的截面为 矩形)，且口径通常只有十几毫米，该形状和口径不能满足光刻照明需用 宽光束的要求，使用时需对激光器发射光束进行扩束。同时，由激光器发 射的光束发散角达到3毫弧度甚至更高，该发散角不符合高均匀性照明要 求，且过大的发散角使得激光光束在光路传输末端的截面尺寸大于使用要 求。激光器在使用时需要对该发散角进行准直，发散角越小准直程度越高， 激光准直扩束系统的作用就是使激光光束扩束成一定形状、大小的准直光 束，同时降低激光发散角。
扩束单元内部需要进行微正压充气净化以免光学元件表面与气体发生 反应而导致损伤，故扩束单元结构简单以使保护气体均匀分布。扩束器集 成在激光器出口或光路传输单元入口，其整体处于受限空间内，尺寸不宜 过大。
在中国科学院光电技术研究所申请的专利201410019186.5中，介绍了 一种利用负光焦度球面镜进行光束发散，利用X方向和Y方向两正光焦度 柱面镜进行准直的扩束系统。该系统镜片间隔调节量为0.3mm左右，对应 于其5-15m的激光传输范围。例如，对应于传输距离15m的变化范围，该 系统的镜片间隔调整量只有0.433mm和0.254mm，相当于传输距离若变动 1m，相应的镜片调整量为0.029mm和0.017mm，精度要求很高，往往需要特 殊的装置才能实现如此高的精度调节。此外，该系统适合于激光器输出光 斑为正方形的情况(即，X方向光束尺寸等于Y方向光束尺寸)，但在实际 深紫外光刻应用中，所用准分子激光器的输出光斑往往为长方形，尤其是 对于激光器输出光束在X、Y方向尺寸相差较大情况，则需要保证该系统中 球面镜与第一柱面镜的间距要很小，而球面镜与第二柱面镜的间距很大， 导致该系统整体尺寸会很长，不利于系统集成；而且，在球面镜与第一柱 面镜间距很小的条件下，也不利于保护气体流通，会导致激光产生的热量 聚集引起结构变形而影响输出光束的稳定性和镜片寿命。
在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所申请的专利 200910217314.6中，介绍了一种通过改变透镜间隔来调节扩束倍率和发散 角的方法。该技术也仅适用于出射激光光束X、Y方向通光口径相同且发散 角相同的情况，对于要求激光光束X、Y方向通光口径或发散角不相同的情 况，该技术并不能通过调节激光传输距离使最终光束形状尺寸和发散角满 足使用要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用 于深紫外光刻的激光准直扩束系统，其中通过对其激光准直扩束的原理、 关键组件的结构及连接关系、调节方式、装配方式等进行改进，与现有技 术相比能够有效解决对激光准直扩束系统调节精度要求高的问题，并且， 即使在激光器输出矩形光斑长宽差别较大的情况下，该激光准直扩束系统 仍能保证该系统的尺寸变化小、便于与光刻系统集成。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于深紫外光 刻的激光准直扩束系统，其特征在于，包括第一柱面镜、第二柱面镜、平 面反射镜和球面镜，其中所述球面镜分别与第一柱面镜和第二柱面镜组成 两个准直扩束器，用于对激光器发射出的激光光束进行准直扩束；
所述激光光束依次经过所述第一柱面镜和第二柱面镜，接着再被所述 平面反射镜反射，然后再经过所述球面镜被送入传输光路，最后进入光刻 机的光源输入口；
其中当以激光光束中心光束的传播方向为Z轴正方向，建立笛卡尔直 角坐标系，则，
所述第一柱面镜光焦度在X方向且为负，用于在X轴方向上发散所述 激光光束；
所述第二柱面镜光焦度在Y方向且为负，用于在Y轴方向上发散所述 激光光束；
所述平面反射镜用于反射所述激光光束；
所述球面镜的光焦度为正，用于在X轴和Y轴两个方向上准直所述激 光光束。
作为本发明的进一步优选，所述平面反射镜对激光光束进行反射，使 激光光束的中心光束的传播方向偏转90°。
作为本发明的进一步优选，所述球面镜与光刻机的光源输入口之间的 距离为激光传输距离，当激光传输距离变化时，通过调节以下至少一种参 量来获得准直扩束的激光光束：所述激光光束从第一柱面镜到球面镜的传 播路程、以及所述激光光束从第二柱面镜到球面镜的传播路程。
作为本发明的进一步优选，所述第一柱面镜为氟化钙柱面镜，所述第 二柱面镜为熔融石英柱面镜。
作为本发明的进一步优选，所述激光光束的中心光束经过所述第一柱 面镜、第二柱面镜和球面镜的中心。
作为本发明的进一步优选，所述激光光束的波长为193nm。
作为本发明的进一步优选，所述用于深紫外光刻的激光准直扩束系统 还包括第二平面反射镜和第二球面镜，所述激光光束依次经过所述第一柱 面镜和第二柱面镜，接着再被所述平面反射镜反射，然后再经过所述球面 镜被所述第二平面反射镜反射，接着再经过所述第二球面镜被送入所述传 输光路；
所述第二平面反射镜用于反射所述激光光束；
所述第二球面镜的光焦度为正，用于在X轴和Y轴两个方向上准直所 述激光光束。
作为本发明的进一步优选，所述第一柱面镜、第二柱面镜和球面镜分 别安装在第一镜片安装座、第二镜片安装座和第三镜片安装座上，所述第 一镜片安装座、第二镜片安装座和第三镜片安装座都设置有靠边，分别用 于定位所述第一柱面镜、第二柱面镜和球面镜；
所述第一镜片安装座和第二镜片安装座通过定位销分别与第一直线导 轨滑块和第二直线导轨滑块连接；
所述第一直线导轨滑块和第二直线导轨滑块安装在直线导轨上；
所述直线导轨安装在所述直线导轨垫块上；
所述第三镜片安装座也安装在所述直线导轨垫块上。
作为本发明的进一步优选，所述直线导轨垫块具有靠边，用于定位所 述直线导轨和第三镜片安装座。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益 效果：
1)本激光准直扩束系统由第一柱面镜、第二柱面镜、平面反射镜和球 面镜构成，球面镜分别与第一柱面镜和第二柱面镜组成两个准直扩束器。 第一柱面镜光焦度在X方向且为负，对激光器发射的激光光束在X方向起 发散作用；第二柱面镜光焦度在Y方向且为负，对激光光束在Y方向起发 散作用。平面反射镜对光路进行90度反射。球面镜的光焦度为正，对激光 光束在X、Y两个方向起准直作用。本激光准直扩束系统较之其他方式结构 更为紧凑，适用于安装集成。
2)当激光传输距离改变时，通过调节第一柱面镜与球面镜之间的距离 来补偿因激光传输距离改变而导致的激光光束X方向宽度和发散角变化， 调节第二柱面镜与球面镜之间的距离来补偿因激光传输距离改变而导致的 激光光束Y方向宽度和发散角变化，这使得本扩束系统可以适应不同的传 输距离，同时由于该系统对距离调节的精度要求不高，通过简单的调节装 置(例如，机械结构等)即可实现，使用方便且成本低。另外，即使在激 光器输出光斑不规则的条件下，该激光准直扩束系统仍能保证该系统的尺 寸变化小、便于与光刻系统集成；球面镜、第一柱面镜和第二柱面镜之间 的间距适当，有利于激光的热量散发，对确保激光扩束精度、延长系统的 使用寿命等均有积极作用。
3)本激光准直扩束系统第一柱面镜材料为氟化钙，氟化钙在深紫外区 域具有高透过率和激光损伤阈值避免了传统的石英玻璃在深紫外激光辐照 下会形成色心及产生光致收缩效应导致低透过率问题。第二柱面镜、平面 反射镜和球面镜材料均为熔融石英，其光学性能良好且价格低廉，同时配 合氟化钙材料达到了消色差的目的。整体选材良好兼顾了功能性与成本。
附图说明
图1是本发明中激光准直扩束系统的原理示意图，其中各装置部件位 置为它们在YOZ平面上的投影位置的示意；
图2是应用本发明中激光准直扩束系统方案的扩束器结构示意图；
图3是本发明激光准直扩束系统装配结构示意图；
图4是本发明实施例2中激光准直扩束系统扩展应用原理示意图，其 中各装置部件位置为它们在YOZ平面上的投影位置的示意。
图中各附图标记的含义如下：1为激光器输出光束X方向示意(即，激 光器输出光束在XOZ平面上的投影示意)；2为激光器输出光束Y方向示意 (即，激光器输出光束在YOZ平面上的投影示意)；3为第一柱面镜；4为 第二柱面镜；5为平面反射镜；6为球面镜；7为光刻机光源输入口；8为 第二平面反射镜；9为第二球面镜；10为激光器输出光束的中心光束的传 输路径示意；11为扩束器外框；12为第一柱面镜安装座；13为直线导轨； 14为第二柱面镜安装座；15为反射镜安装调整架；16为第一球面镜安装座； 17为直线导轨滑块1；18为螺母1；19为丝杠1；20为直线导轨滑块2； 21为螺母2；22为丝杠2；23为定位销；24为直线导轨垫块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1为激光准直扩束系统原理示意图，激光准直扩束系统由第一柱面 镜3、第二柱面镜4、平面反射镜5和球面镜6构成，球面镜6分别与第一 柱面镜3和第二柱面镜4组成两个准直扩束器。由于激光光束可能存在发 散角，在本发明中以光束中心光束的传播方向作为整个光束的传播方向。 以激光器输出光束的中心光束的传播方向沿Z轴正方向为例，建立笛卡尔 直角坐标系，第一柱面镜3光焦度在X方向且为负，对激光器发射激光光 束的横截面在X方向起发散作用；第二柱面镜光焦度在Y方向且为负，对 激光光束的横截面在Y方向起发散作用，Y方向上的光焦度对X方向光束特 性不产生任何影响。平面反射镜5对光路进行90度反射(由于光束可能存 在发散角，这里是以光束的中心光束的参考，即平面反射镜5对光路进行 反射使中心光束偏转90度)。球面镜6的光焦度为正，对激光光束在X、Y 两个方向起准直作用。光源输入口7为光刻机部件，激光传输距离定义为 扩束系统出口经过传输光路到光源输入口7的中心光束传输的距离，即d67。 上述各部件的中心与激光光束的中心重合(即，中心光束经过上述各部件 的中心)。所述传输光路可以是由连接在扩束器和光刻机光源输入口之间 的一系列组件构成，这些组件包括光束传输管道以及光束反射点。
深紫外的光一般是指波长在200nm以下的光，本实施例选取中心波长 为193nm的深紫外ArF激光光源，该激光光源出射的光束为一截面为矩形 光束，从激光光源输出的激光光束以其中心光束的传播方向设定为Z轴正 方向，矩形截面的边分别平行于X轴或Y轴，建立笛卡尔三维直角坐标系， 相应的光束参数如下：
光束截面X方向尺寸2mm，X方向发散角2.5mrad；
光束截面Y方向尺寸13mm，Y方向发散角3.5mrad。
所述准直扩束是指激光的光束截面(光束截面的法线与光束传播方向 平行)尺寸变大，并且光束传播的发散角满足角度要求。要求经过准直扩 束系统后输出光束参数如下：
激光传输距离在5-15m范围内可调；
光束截面X方向尺寸20mm，X方向发散角＜1.5mrad；
光束截面Y方向尺寸20mm，Y方向发散角＜1.5mrad。
如图1所示，激光器发出的光束截面在X方向边缘的传播路径表示为 光线1，在Y方向边缘的传播路径表示为光线2，光束投射到第一柱面镜3， 第一柱面镜3在X方向光焦度为负，对光束在X方向起发散作用，因此经 过第一柱面镜3后激光光束在X方向发散，Y方向没有改变。光束投射到第 二柱面镜4，第二柱面镜4在Y方向光焦度为负，对光束在Y方向起发散作 用，因此经过第二柱面镜4后激光光束在Y方向发散，X方向没有改变。平 面反射镜5的法线方向与光束传播方向(即，Z轴正方向)呈45度夹角(平 面反射镜5所在的平面垂直于YOZ平面)，光束投射到平面反射镜5发生 反射、产生90度偏转射向球面镜6。球面镜6光焦度为正，对光束进行汇 聚。由此，第一柱面镜3与球面镜6组成一个准直扩束器，对激光光束X 方向进行准直扩束；第二柱面镜4与球面镜6组成一个准直扩束器，对激 光光束Y方向进行准直扩束。
表1 扩束系统的具体参数
透镜 第一柱面镜3 第二柱面镜4 球面镜6 类型 柱面负透镜 柱面负透镜 正透镜 材料 氟化钙 熔融石英 熔融石英 焦距 38.50mm 258.11mm 375mm 左边平面半径 ∞ ∞ ∞ 右边平面半径 19.32mm 144.59mm 210.07mm 透镜厚度 5mm 5mm 5mm
(1)当要求激光传输距离d67为5m时，透镜间距(透镜间距为中心光 束从一透镜中心到另一透镜中心的传输距离)设定为：
第一柱面镜3与球面镜6间距342.2mm，第二柱面镜4与球面镜6间距 126.8mm。按此设定光束在光源输入口7位置的指标如下：
光束截面X方向尺寸20mm，X方向发散角0.26mrad；
光束截面Y方向尺寸20mm，Y方向发散角0.10mrad。
可以看出，结果满足要求，扩束系统输出的激光准直性能非常好。
(2)当激光传输距离d67变为10米时，由于激光光束具有一定发散 角，在传输过程中不断发散，因此传输10米后光束口径不再满足设计要求， 此时需调整透镜间距使其满足新的使用条件。新的透镜间距设定如下：
第一柱面镜3与球面镜6间距341.3mm，第二柱面镜4与球面镜6间距 127.4mm。按此设定光束在光源输入口7位置的指标如下：
X方向尺寸20mm，X方向发散角0.14mrad；
Y方向尺寸20mm，Y方向发散角0.54mrad。
(3)当激光传输距离d67变为15米时，由于激光光束在传输过程中 不断发散，因此传输15米后光束口径不再满足设计要求，此时需调整透镜 间距使其满足新的使用条件。新的透镜间距设定如下：
第一柱面镜3与球面镜6间距341.0mm，第二柱面镜4与球面镜6间距 127.3mm。按此设定光束在光源输入口7位置的指标如下：
X方向尺寸20mm，X方向发散角0.08mrad；
Y方向尺寸20mm，Y方向发散角0.79mrad。
以上数据可以说明，激光传输距离在5-15m范围时，本扩束系统能完 全满足要求。从本实例可以看出，对于传输距离为10m的变化范围，第一 柱面镜3与球面镜6的间距调节量为1.2mm，第二柱面镜4与球面镜6的间 距调节量为0.6mm，即相当于传输距离若变动1m，相应的镜片调整量分别 为0.12mm和0.06mm，比起已有技术，其调整精度的要求下降，对简化调整 系统、降低准直扩束系统的成本具有积极意义。
本激光准直扩束系统具体调节方式实现及扩束系统集成方式如图2，其 中第一柱面镜3与第二柱面镜4分别安装于镜片安装座12、14之上，镜片 安装座安装于直线导轨滑块20、17之上，滑块运动由丝杠螺母副进行调节。 平面反射镜5安装于调整架15上，调整架15与扩束系统外框11采用球面 副连接，并具有两调节点，可以使反射镜的法线方向在一定空间内任意调 节。球面镜6安装于镜片安装座16之上。
本激光准直扩束系统具体装配结构如图3，为保证各镜片的安装精度， 镜片安装座12、14、16上设置有镜片的精确靠边，并使镜片在一侧压紧。 镜片安装座12、14分别与直线导轨滑块20、17通过定位销精确定位，保 证镜片与镜片安装座整体在X轴平移方向与Y轴旋转方向的精度。直线导 轨13安装于直线导轨垫块24之上，通过直线导轨垫块24上的定位靠边定 位，同时，球面镜安装座16也依靠直线导轨垫块24上的定位靠边定位。 这种定位方式将定位基准集中在直线导轨垫块之上，通过装配关系保证了 第一柱面镜3、第二柱面镜4和球面镜6相对光束中心的位置精度。因此， 这样的装配方式具有精度高、结构简单、易装配的特点。
实施例2
如图4所示，在实施例1的基础上增加第二反射镜8，第二球面镜9结 构，7为光刻机中的光源输入口。第二反射镜8对光路进行90度反射，其 位置和数量根据需要进行布置，可以灵活设计光束传输路径。增加第二球 面镜9可以在激光传输距离超过15m甚至更长时实现实施例1中要求的光 束指标，这使得该激光扩束系统的应用场合极大增加。
仅改变实施例1中的光束传输距离要求，保持激光光源出射光束参数、 要求输出光源参数与实施例1相同，仍然采用实施例1中第一柱面镜3、第 二柱面镜4和球面镜6参数。
(1)要求激光传输距离为20m，实施方案如下：
在距离球面镜6十米的位置设置第二球面镜9，第二球面镜9参数如下：

同样调整第一柱面镜3与球面镜6间距、第二柱面镜4与球面镜6间 距使光束满足新的使用条件。新的透镜间距设定如下：
第一柱面镜3与球面镜6间距335.6mm，第二柱面镜4与球面镜6间距 126.0mm。按此设定光束在光源输入口7位置的指标如下：
X方向尺寸20mm，X方向发散角0.86mrad；
Y方向尺寸20mm，Y方向发散角1.43mrad。
以上数据说明，实施例2所示扩展功能可以实现。
本发明中，X轴与Y轴的方向可以互换，只要其正方向与光束传播方向 满足笛卡尔三维直角坐标系的要求即可。另外，无特别说明，本发明中均 以激光光束的中心光束作为参考。本领域的技术人员容易理解，以上所述 仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。