關(guān)于高分辨率投影光刻機光瞳整形技術(shù)的分析

王友旺　林盛浩

【摘 要】本文就針對目前高分辨率投影光刻機所實現(xiàn)的高成像性能、高分辨率進行闡述，并對高分辨率投影光刻機系統(tǒng)下，不同光瞳整形技術(shù)的原理、設計、性能等進行回顧性分析。

【關(guān)鍵詞】高分辨率投影光刻機；光瞳整形；光學制造

高分辨率投影光刻機光瞳整形技術(shù)主要是指一種光刻照明用光瞳整形的裝置，其利用連續(xù)變焦透鏡組、轉(zhuǎn)盤組織、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。高分辨率投影光刻機具有分辨率高、成像性能佳、系統(tǒng)操作簡單等優(yōu)勢，其較傳統(tǒng)的錐形鏡組在光瞳整形技術(shù)應用中存在的諸多劣化問題，可起到十分顯著的克服與完善作用。

1.研究資料

根據(jù)胡中華[1]等人的研究，結(jié)合日本Nikon、日本Canon、荷蘭ASML（所用鏡頭產(chǎn)自德國）、德國SUSS等國外著名品牌企業(yè)所生產(chǎn)的高端、高分辨率投影式光刻機，再根據(jù)我國上海微電子裝備有限公司（SMEE）自主研發(fā)、生產(chǎn)的投影式低端光刻機等，對高分辨率投影光刻機的結(jié)構(gòu)、原理、性能、特點等進行分析。再對利用高分辨投影光刻機來實現(xiàn)光瞳整形的現(xiàn)狀進行探究。

2.高分辨率投影光刻機的概述

近年來，隨著高分辨率投影光刻機的研發(fā)，其性能指標也有了更高的發(fā)展，通過對高分辨率投影光刻機的現(xiàn)狀來看，此儀器主要的性能指標包括有：分辨率高、對準精度高、曝光方式先進、光源波長良好、光強均勻性強、生產(chǎn)效率高等。由于高分辨率投影光刻機具有的諸多優(yōu)勢，其在人們生產(chǎn)生活中的應用也更具發(fā)展前景。

3.高分辨率投影光刻機光瞳整形技術(shù)

高分辨率投影光刻機在使用過程中，需要針對不同的掩模結(jié)構(gòu)，采用相對應的離軸照明模式來增強光刻的分辨力，并增大焦深和提高成像的對比度，進而達到更加良好的成像性能效果。而其中所需要的照明模式，主要是通過光瞳整形技術(shù)來進行實現(xiàn)。光瞳整形主要是指在光刻照明系統(tǒng)當中，采取所設計的特殊光學元件，來調(diào)整入射激光束的強度以及相位的分布，進而在光瞳面上獲取所需的特定光強分布。

3.1衍射光學元件下的光瞳整形技術(shù)分析

近年來，隨著科技的快速發(fā)展，激光技術(shù)在各領(lǐng)域的應用也越來越廣泛，但是由于激光光束傳播路徑、光強分布等方面的一些特性，也使得它的應用受到了一定程度的限制?；谝陨弦蛩氐目紤]，在高科技的發(fā)展下，為能夠有效地提高激光技術(shù)的應用水平，拓展其應用領(lǐng)域，采取科學、合理的措施對激光束進行整形也已成為必然的趨勢。而衍射光學元件因具有重量輕、體積小、造價較低、容易復制、設計自由、色散性能強、材料選擇面廣、衍射效率高等優(yōu)勢，使得其在整形技術(shù)中有著非常廣闊的應用前景。而隨著高分辨率投影光刻機的不斷發(fā)展廣泛應用，其為了產(chǎn)生多種的照明模式，也將衍射光學元件充分地應用到了投影光刻機當中，進而也有效地實現(xiàn)的環(huán)形照明、二級照明、四級照明、自由照明等照明模式。衍射光學元件下的光瞳整形技術(shù)工作原理、設計、性能如下所示：

⑴工作原理?；谘苌涔鈱W元件下所實現(xiàn)的離軸照明原理主要是指：將光波入射于專門設計的衍射光學元件之上，并通過對衍射光學元件的相位、振幅的相應調(diào)制，使其能夠在投影物鏡光瞳的共軛面形成一種獨特地衍射花樣，進而實現(xiàn)高分辨率投影光刻機離軸照明模式所需要的光瞳整形。

⑵設計方式。衍射光學元件的設計主要是指將已知輸入與輸出求相位恢復的一個過程，其以物理光學標量衍射理論作為依據(jù)，再結(jié)合迭代傅里葉變換算法，計算出衍射光學的相位分布。而為了有效地完成衍射光學元件基于衍射理論下的設計任務，需充分地考慮到衍射問題的復雜性，并選擇最為合適的優(yōu)化算法，另外，還需建立合適的理論模型，以保證衍射光學元件設計的合理性。

⑶性能特點。將衍射光學元件應用于光瞳整形技術(shù)中時，具有整形靈活、操作簡單等優(yōu)勢。其可以通過衍射光學元件上相位的分布與設計，來實現(xiàn)包括二極、四級、自由照明等任意的光瞳花樣。另外，衍射光學元件還實現(xiàn)了輸出數(shù)值孔徑的可控調(diào)節(jié)，并可得到較高的衍射效率輸出，進而使得其能量的利用率也得到了大幅的提高。但是，衍射光學元件對入射光束的誤差比較敏感，若入射傾斜則會使得遠場花樣偏心，進而會增大光瞳橢圓度，并降低極平衡性；且其還會出現(xiàn)一定程度的散斑噪聲影響，使遠場花樣的均勻性變差。針對以上特性，也應提高重視，并采取相應的手段盡量降低這些不良影響的發(fā)生率[2]。

3.2微反射鏡陣列下的光瞳整形技術(shù)分析

近年來，在高分辨投影光刻機當中，荷蘭的ASML公司研發(fā)出了一種FlexRay可編程照明技術(shù)，其主要是通過對可編程MMA的控制來實現(xiàn)光瞳整形的目的，而這種可編程MMA又是由成千上萬個微反射鏡成組成的。微反射鏡陣列下光瞳整形技術(shù)的工作原理、設計與性能如下所示：

⑴工作原理。微反射鏡陣列下光瞳整形技術(shù)是指利用微反射鏡陣列方位的控制，以實現(xiàn)特定的光瞳圖形。在數(shù)千個微反射鏡所組成的陣列中，每個微反射鏡均可反射出一個光點到光瞳面上，其通過對微反射鏡方位角度的調(diào)整，來改變光瞳面上的光斑位置。

⑵設計方式。微反射鏡陣列的設計與制作是在微機電系統(tǒng)技術(shù)的基礎上進行的，其微反射鏡是由單晶硅制造而成的。通過硅基質(zhì)表面形成的一對電極，于基質(zhì)與電極上再沉積一層犧牲層，并定義主干形成相應的支架，再于支架上沉積一層柔韌性強的材料，之后于材料上沉積金屬層，再對其進行刻蝕，從而形微反射鏡，將每個刻蝕好的微反射鏡組織在一起，成為微反射鏡陣列。

⑶性能特點。基于微反射陣列下的光瞳整形技術(shù)，其主要可以產(chǎn)生二級、四級、自由照明模式。微反射陣列由于屬于可編程的照明技術(shù)，其也實現(xiàn)了操作快捷、簡單、方便的特性。采用微反射陣列技術(shù)，還能夠有效地避免折射系統(tǒng)由于器件表面反射及吸收而造成的光能損失，但是其對于面形誤差較為敏感，因此在使用時也需額外注意。

3.3微透鏡陣列下的光瞳整形技術(shù)分析

微透鏡陣列下的光瞳整形技術(shù)主要是指其通過對光束的分割，對子光束的疊加，進而來實現(xiàn)整形的目標。而基于微透鏡陣列下的光瞳整形技術(shù)，其可以有效地避免入射激光光束強分布不均勻的不良現(xiàn)象，從而達到均勻照明的目的。微透鏡陣列下光瞳整形技術(shù)的工作原理、設計與性能如下所示：

⑴工作原理。基于微透鏡陣列下的高分辨率投影光刻機目前已經(jīng)實現(xiàn)了形狀為環(huán)形、六邊形、矩形的二級、四級等照明模式。其中，二級照明模式主要是由柱面微透鏡組成的單層微透鏡陣列而實現(xiàn)的，此照明模式的每一層均有強度分布勻稱或是自定義的強度梯度；而四級照明模式主要是指將兩個垂直交錯并產(chǎn)生二級照明模式的柱面小透鏡陣列進行結(jié)合，從而實現(xiàn)的一種照明。

⑵設計方式。在高分辨率投影光刻機的照明系統(tǒng)中采用了傅里葉透鏡，因此也使得由微透鏡陣列所出射的特定角度光線，均會經(jīng)過場鏡在目標平面上形成一個斑點。因此，在設計二級照明模式時，要盡量將零度左右的角度避開，使其可以在遠場獲取到有比較均勻且對稱分布的二級照明。在進行微透鏡陣列的設計與制造時，為了能夠達到預期的效果，多將熱熔膠工藝應用于其中。其是通過對光刻膠的加熱與融化，并經(jīng)由表面張力來形成柱面、球面等形狀的小型透鏡，再通過刻蝕將此些小型透鏡順利地轉(zhuǎn)移到基底上。采用熱熔膠工藝時，由于其只應用需要應用一次光刻，進而也保證了其對斜坡誤差、掩模對準誤差等不是過于敏感。但其對于面形誤差有較高的敏感度，若刻蝕嘗試出現(xiàn)誤差則會導致焦距或遠場孔徑角的變化，因此對其缺點也需特點的注意[2]。

⑶性能特點。微透鏡陣列下的光瞳整形由于對入射光的發(fā)散角與傾斜不是特別敏感，且其所產(chǎn)生的遠場光斑也十分均勻，加之不會引起散射損耗與高階衍射損耗，因此其也具有較高的能量利用率。但采用微透陣列也存在不能實現(xiàn)任意照明模式的缺憾。

綜上所述，在高分辨投影光刻機照明系統(tǒng)中，光瞳整形技術(shù)屬于其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，光瞳整形效果的良好性對照明系統(tǒng)的性能起到了十分重要的影響?；谝陨弦蛩乜紤]，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)不同照明模式的前提下，光瞳整形技術(shù)中元件的使用與設計一定要科學、合理，并嚴格根據(jù)光瞳整形的實際要求來選擇適宜的整形技術(shù)。從而也使高分辨率投影光刻機光瞳整形技術(shù)在應用中能夠發(fā)揮出最大程度的優(yōu)勢。 [科]

【參考文獻】

[1]胡中華，楊寶喜，朱菁，肖艷芬，曾愛軍，黃惠杰.用于投影光刻機光瞳整形的衍射光學元件設計[J].中國激光，2013，40（06）：1-5.

[2]施穎.激光投影光刻機光學對位技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學：物理電子學，2012.

[3]肖艷芬.光刻機照明均勻化技術(shù)的研究[D].中國科學院研究生院：光學工程，2012.