深紫外激光辐照加速材料老化系统的光学设计 
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1 引言
光刻机是生产大规模集成电路的核心设备之一[1-2],具有技术难度最大、系统最复杂和单台价值最高等特点,使之成为国外限制最严格的关键设备之一[3]。特别自“中兴事件”发生以来,国内科研人员所关注的焦点基本上都是在研发制造芯片的光刻机方面。自1990年以来,深紫外光刻机逐渐发展成主流的高端光刻机之一[4-5]。深紫外光刻系统中,长时间工作在重复频率高达几千赫兹的激光辐照环境下的光学元件,其需要具有长期激光辐照的稳定性,使用寿命必须维持数年,因此需要准确评估深紫外光刻系统中熔石英镜片的使用寿命,这对于指导前期加工、中期使用和后期维护具有重要意义。
实际的深紫外光刻系统中,良好的均匀性能够提高整个光刻系统的分辨率,反之则会严重影响光刻机的性能[6]。由于距离激光器不同位置的镜片所受辐照的能量密度不同,因此其性能指标及使用寿命也有所不同。目前,常用的测试方法是直接对激光进行会聚,使用聚焦后的小光斑辐照镜片表面[7-8],但该方法未进行匀光处理,而且与实际使用工况不符,并且只限于某一能量密度下对单个镜片的使用寿命进行评估。
针对现阶段材料老化实验测试方法的不足,本文首先根据光强分布在竖直方向上近似呈高斯分布的特点,采用非球面柱透镜组对单一方向的光束进行整形,然后根据无焦变倍的原理设计激光辐照加速材料老化的系统,最后调节系统的缩束率以改变能量密度。设计的加速老化系统的缩束率为0.2~0.5,单脉冲能量密度增大至8~50 mJ/cm2,并且结构简单,可以在低成本且短时间内评估多个元件的使用寿命。
2 光学系统结构的选取
2.1 系统参数
选用日本Gigaphoton公司生产型号为G41K,且波长为248 nm的KrF准分子激光器作为曝光光源。由于实际深紫外光刻照明系统中要求入射至光束整形单元上的光束截面为正方形,因此选取经过柱面扩束单元调整后,单脉冲能量密度为2 mJ/cm2的光束作为输入光斑,其竖直方向的光束光强分布近似为高斯分布,水平方向光强分布近似为平顶分布,此时单脉冲能量密度为2 mJ/cm2,具体参数如
表 1. 系统参数
Table 1. System parameters
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实验中,要求整形后的光斑尺寸基本不变,且光束均匀度大于90%。根据实际使用要求,系统的缩束率为0.2~0.5,能量密度提高4~25倍。
竖直方向上,光束中心的光强较强,边缘相对较弱,所以光斑中心位置易导致元件损伤。为了满足光强分布近似呈均匀分布的工况条件,必须对光束先进行整形再进行缩束的处理。
2.2 光束整形系统结构的选取
典型的激光束空间整形方法有光阑拦截法、微透镜阵列整形法、衍射元件整形法、全息滤波法以及非球面透镜整形法等。相比于前几种整形方法而言,非球面透镜整形法具有整形效果好、能量利用率高和结构简单等突出优势[9-10]。非球面透镜组整形系统的基本结构有开普勒型结构和伽利略型结构两种,其中伽利略型结构比较紧凑,且整个系统没有实焦点,更适用于高功率的激光束。考虑到系统的激光能量很强,光束会聚后可能对光学元件造成热损伤,故系统选择没有内部焦点的伽利略型结构[11]。
由于光强在两个方向上分布不同,所以这种轴对称光学系统无法单独改变某一方向的光强分布[12]。对非轴对称的光学系统使用非球面柱透镜组来实现高斯光束的整形,可以获得光强分布近似呈平顶分布的矩形光斑。
图 1. 非球面柱透镜在竖直方向上的整形过程
Fig. 1. Shaping process of aspheric cylindrical lens in vertical direction
2.3 变倍缩束系统结构的选取
为了提高辐照的能量密度以加速样品老化,根据无焦变倍原理设计变倍缩束系统,通过改变光斑尺寸来改变能量密度,变倍缩束系统一般由固定组、变倍组和补偿组透镜组成。通常,三组元透镜组有“正—负—正”或“负—正—负”等多种结构形式。与“负—正—负”结构形式相比,“正—负—正”具有结构长度短和可快速变倍的优点。为了装调简单易行,将第一组透镜作为固定组,其他两组分别作为移动组和补偿组以实现无焦连续变倍的功能,结构如
图 2. 无焦变倍系统的原理图。(a)定焦系统;(b)变焦系统
Fig. 2. Schematic of afocal zoom system. (a) Focal fixation system; (b) zoom system
根据牛顿公式,无焦系统中变倍组L2的垂轴放大率可表示为
式中:f2为变倍组的物方焦距;x为变倍组的物距;f'2为变倍组L2的像方焦距;f'1为前固定组L1的像方焦距。令q在变倍组L2向右移动为正,向左移动为负。
补偿组L3的移动量为
式中:f'3为变倍组L3的像方焦距。令入射光的半径为h1,出射光的半径为h3,则系统的缩束比M可表示为
使用(1)~(3)式便可计算得到变倍组L2与补偿组L3相对前固定组L1的移动规律。
3 光学系统的设计
由第2节的分析可知,激光辐照加速材料老化的系统分为三个部分,结构如
图 3. 激光辐照加速材料老化的系统。(a)光束整形系统;(b)变倍缩束系统;(c)测试镜片
Fig. 3. System for accelerating material aging by laser irradiation. (a) Beam shaping system; (b) variable bunching system; (c) test lens
3.1 非球面柱透镜组光束整形系统的设计
实验采用伽利略型结构的整形系统,柱透镜Ls1采用平或凹透镜,经过柱透镜Ls1的光线在传递过程中不会产生实焦点,可以避免激光束的会聚对光学元件造成热损伤。相反,柱透镜Ls2采用凸或平结构,可以降低透镜的加工难度[15]。在材料方面,CaF2具有透过率高、折射率低和相对色散大等优点,而且在深紫外波段的透过性能和抗激光损伤能力更是远远优于其他材料,故选择CaF2作为整形系统的光学材料。
为了便于光学软件的设计以及后期的生产加工,分别将柱透镜Ls1的凹面和Ls2的凸面设为偶次非球面,偶次非球面的表达式为
式中:c为顶点曲率;k为圆锥系数;Ai为高次项系数[16-17];r为半径。将上述参数均设为变量,使用“实际Y向坐标值(REAY)”和“实际光线角度(RAID)”操作数分别控制每条光线的投射高度和角度,并通过控制这两个操作数的权重对变量进行优化,从而实现光强的均匀分布以及匀化光束的准直射出,说明在整形系统的光束出射端处可以实现最佳的匀化效果,且在出射端后500 mm以内均有较好的匀化效果。设计的光学参数如
表 2. 非球面柱透镜的光学参数
Table 2. Optical parameters of aspheric cylindrical lens
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竖直方向上高斯光束的整形效果如
3.1.1 光束均匀度分析
均匀度是评价光束匀化的最重要指标之一[18],均匀度的表达式为
式中:γ为光束均匀度;Ij为采样点的光强;
图 5. 距离整形系统不同位置处的光束均匀度
Fig. 5. Beam uniformity at different positions of distance shaping system
图 6. 光束整形前后的照度分布。(a)整形前;(b)整形后
Fig. 6. Illumination distribution before and after beam shaping. (a) Before shaping; (b) after shaping
光强近似为整形前的30%,说明整形后的系统可以避免因光强分布不均导致的自聚焦效应,达到光束整形的目的,满足辐照损伤的测试条件。
3.2 变倍缩束系统的设计
通过2.3节的分析,使用光学设计软件来建立变倍缩束系统的初始结构[19-20],材料均为耐紫外辐照的CaF2。不同的组合状态,则系统的缩束比值不同,实验设置4组多重结构,缩束率分别为0.2、0.3、0.4和0.5。
图 7. 变倍缩束系统的结构图
Fig. 7. Structure diagram of variable magnification and reduction beam system
图 8. 不同倍率下变倍缩束系统的光迹。(a) 0.2×; (b) 0.3×; (c) 0.4×; (d) 0.5×
Fig. 8. Light traces of variable magnification and reduction beam system under different magnifications. (a) 0.2×; (b) 0.3×; (c) 0.4×; (d) 0.5×
激光变倍缩束系统属于一个小像差系统,一般使用波像差对其成像质量进行评价。在整个光学系统后端加入一个理想透镜对其聚焦以观察其波像差,用来评价成像质量。各倍率下的波像差如
图 9. 不同倍率下变倍缩束系统的波像差。(a) 0.2×; (b) 0.3×; (c) 0.4×; (d) 0.5×
Fig. 9. Wave aberration of variable magnification and reduction beam system under different magnifications. (a) 0.2×; (b) 0.3×; (c) 0.4×; (d) 0.5×
4 公差分析
为了确保设计的加速材料老化系统具有可加工性,运用光学设计软件对其进行公差分析。使用灵敏度和蒙特卡罗法对100个随机镜头进行分析,整理后确定的公差数据如
表 3. 光学系统的公差参数
Table 3. Tolerance parameters of optical system
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5 结论
根据激光束整形及无焦变倍的原理,设计一套满足实际工况条件下的多镜片激光辐照加速材料老化系统。整形后的系统在竖直方向上的最大光束均匀度为96.8%,变倍缩束后的能量密度提高4~25倍,此系统结构简单,镜片数少,可以模拟实际的工况条件,可以调节不同能量密度对多个镜片的寿命进行评估。以波长为248 nm的KrF准分子激光器作为曝光光源,对其余深紫外波段激光辐照加速材料老化寿命的评估同样具有借鉴意义。
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赵阳, 向阳, 李婷婷. 深紫外激光辐照加速材料老化系统的光学设计[J]. 光学学报, 2021, 41(5): 0522001. Yang Zhao, Yang Xiang, Tingting Li. Optical Design of Deep Ultraviolet Laser Irradiation System for Accelerating Material Aging[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(5): 0522001.
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