专利名称：用于光刻照明的多分区光学位相板的设计方法
技术领域：
本发明属于微光刻领域，涉及极大规模集成电路制造设备，特别是一种用于光刻 照明的多分区光学位相板的设计方法。
背景技术：
在光刻机的照明系统中，为了提高光刻质量，通常采用各种分辨率增强技术，离轴 照明就是其中的一种重要的技术。离轴照明技术把激光器输出光束的横截面内的光强分布 转换成可提高成像分辨率的特定的光强分布，这种特定的光强分布可以是针对不同掩模图 案的二极、四极分布，也可以是均勻的圆形分布。一般，照明系统的光源通常是以脉冲形式 运转的准分子激光器，其发出的激光束的特点是横截面小，光强分布不均勻，且不同脉冲的 光强分布还会变化。为了将这样的激光束转换为所要求的光强分布，通常采用衍射式的光 学位相板作为光束变换元件。光学位相板是一种具有特殊位相分布的光学元件，这种位相分布是在光学平板表 面雕刻出的台阶状的浮雕结构。由于光学平板的折射率和空气的折射率不同，当光束透过 光学位相板的时候，穿过不同高度台阶的子光束的光程不同，从而产生不同的位相延迟，因 此这种台阶结构在光学上被称为位相分布。它的工作原理是将光束分割成许许多多的细小 光束，然后通过衍射的方式使每个小光束在远场叠加，得到所需要的光强分布。光学位相板 具有衍射效率高、设计自由、加工方便和可用于产生任意的光强分布的特点。所以，光学位 相板通常作为光刻机照明系统中的关键元件，用于产生需要的光强分布。在 先技术 1 "Homogenizer formed using coherent light and a holographicdiffuser" (US A 5534386)中，公开了对相干激光源的光束整形方案，其中的 光学位相板采用整体设计方式。在这种设计方式下，全部位相单元被作为一个整体，根据所 需的光强分布，通过计算机迭代得到。设计出的光学位相板要求入射光束覆盖所有的位相 单元。上述在先技术主要有下列以下缺点1、设计的光学位相板对入射光束的位置漂移、尺寸变化和光强分布变化敏感。对 于光刻机用的准分子激光器，光束的位置、尺寸和光强分布有明显的抖动与不稳定性；而且 由于激光器与光刻机照明系统之间通常有一段5 20米的传输距离，激光器与光刻机安装 地基之间的相对变化在所难免，虽然在照明系统中已经采取了对激光束的位置和光强稳定 的技术措施，但是并未完全消除这种影响。目前的这种设计方法已经无法满足实际使用需求。2、设计需要的运算量大，耗时长，对计算设备要求高。位相板的计算机设计方法通 常采用快速傅里叶变换并逐步迭代得到其位相分布。由于目前主流光刻机中用的激光波长 在紫外波段，如193nm和MSnm等，限制了光学位相板的位相单元尺寸，所以在总体尺寸确 定的情况下，单元数目非常庞大，因此计算量很大，并需要存储大量的数据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种用于光刻照明的多分区式的光学位相板的设计方法，该光学位相板应具有对入射光束的位置、尺寸形状与光强分布 变化不敏感，能获得所需要的输出光强分布的特点。本发明的技术解决方案如下一种用于光刻照明的多分区光学位相板的设计方法，其特点在于该方法包括下列 步骤①计算位相单元的尺寸1 ；②光学位相板分区大小d的选取；③入射光束和确定所需光束的光强分布并进行矩阵化处理；④对位相板中一个分区的初始位相赋值；⑤采用迭代算法并进行离散化处理，得到该分区的位相分布；⑥逐一对每一个分区重复步骤④和步骤⑤，得到每个分区的位相分布，并组合在 一起得到整体位相分布；⑦设计结果的评估。所述的位相单元尺寸1的计算是依据夫琅和费衍射定理和来奎斯特采样定律通 过下式求得λ f/M其中λ为入射光束的波长，f为薄透镜的焦距，M为光强分布的尺寸。所述的光学位相板分区大小d的选取，以保障每个分区中有足够的位相单元数 目，通常需要大于500X500，即d/Ι > 500。所述的入射光束的截面光强分布通常是二维的高斯分布；采用二维高斯方程得到 入射光强分布矩阵Iin
权利要求
1.一种用于光刻照明的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于该方法包括下列步骤①计算位相单元尺寸；②选取光学位相板分区的大小；③入射光束和确定所需光束的光强分布并进行矩阵化处理；④对位相板中一个分区的初始位相赋值；⑤采用迭代算法并进行离散化处理，得到该分区的位相分布；⑥逐一对每一个分区重复步骤④和步骤⑤，得到每个分区的位相分布，并组合在一起 得到整体位相分布；⑦设计结果的评估。
2.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于计算所述的位相 单元尺寸1是依据夫琅和费衍射定理和来奎斯特采样定律通过下式求得1 彡 λ f/M其中λ为入射光束的波长，f为薄透镜的焦距，M为光强分布的尺寸。
3.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的光学位相 板分区大小d的选取，以保障每个分区中有足够的位相单元数目，通常需要大于500X500， 即 d/Ι > 500。
4.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的入射光束的截面光强分布通常是二维的高斯分布；采用二维高斯方程得到入射光强分布矩阵
5.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的光刻机照 明系统所需光束截面的光强分布为圆形分布、环形分布、二极分布或四极分布；
6.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的光强分布 的矩阵化处理是通过计算机对矩阵的每个单元逐一进行判断和赋值，判断依据为当所述 的单元有大于一半的面积是落在有光区域，将I。ut(x，y)赋值为1，当所述的单元落在无光 区域中的面积超过一半，则将I。ut(x，y)赋值为0，对所有单元赋值后得到所需的出射光强 分布矩阵I。ut ；
7.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的位相板 中一个分区的初始位相赋值的方法是给这个分区位相分布矩阵的每个单元识m(0)(x，y)逐 一地随机地赋上ο到2 π区间中的一个位相值，完成后得到这个分区的初始位相分布矩阵^m(0)o
8.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的迭代算法 是盖师贝格-撒克斯通(G-幻迭代算法，具体的计算步骤是首先将入射光强分布矩阵1&和 初始位相分布矩阵如(0)的矩阵一力)中的相对应的矩阵元素相乘，得到新的矩阵，并对这个矩阵做傅立叶变换得到输出光的复振幅分布矩阵l^o^"』),其中I。ut(0)为目前得到的 输出光强分布矩阵，还没有得到期望的输出光强分布矩阵I。ut，下面需要进行如下步骤计算 出所需的位相分布矩阵^将i。ut替换i。ut (ο)得到新的输出光的复振幅分布矩阵T0ttiei^w,并对该输出光的复振幅分布矩阵做傅立叶逆变换，得到UDei^w，将Iin替换Iin(I)得到 新的矩阵/#<(1)，再进行傅立叶变换得到/_(1>、(1)，之后，判断UD中落在所需光强 分布区域的能量占入射光总能量的比例是否满足要求>90%，否则重复上述替换和变化过 程，直到满足要求结束迭代；如果碰到无法满足设定光强分布的要求，通过设置迭代次数结 束迭代，最后可以得到满足期望的输出光强分布矩阵i。ut的位相分布矩阵识m。
9.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的离散化 处理，又称之为台阶化结构处理，是将O到2 π之间的位相数值依据就近赋值的原则变为 几个等间隔的位相值根据所述的位相分布矩阵识m赋值给所述的多分区光学位相板，形成 离散位相分布，所述的离散位相分布通常为二台阶、四台阶、八台阶或十六台阶结构赋值， 所述的八台阶结构赋值为 0、2 π /8,2X2 π /8,3X2 π /8,4X2 π /8,5X2 π /8,6X2 π /8 和 7X2 π/8八种位相数值。
10.根据权利要求1所述的多分区光学位相板的设计方法，其特征在于所述的评估是 计算输出光强分布的衍射效率和均勻性并和所需要的光强分布指标进行对比，如果结果不 能满足指标要求，则重新选择所述的位相单元尺寸和分区大小，并重复上述设计步骤，直到 满足指标要求为止。
全文摘要
一种用于光刻照明的多分区光学位相板的设计方法，其特点在于该方法包括下列步骤①计算位相单元的尺寸l；②光学位相板分区大小d的选取；③入射光束和确定所需光束的光强分布并进行矩阵化处理；④对位相板中一个分区的初始位相赋值；⑤采用迭代算法并进行离散化处理，得到该分区的位相分布；⑥逐一对每一个分区重复步骤④和步骤⑤，得到每个分区的位相分布，并组合在一起得到整体位相分布；⑦设计结果的评估。本发明设计的光学位相板具有对入射光束的位置、尺寸、形状与光强分布变化不敏感，能获得所需要的输出光强分布的特点。
文档编号G03F7/20GK102109676SQ20111004707
公开日2011年6月29日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者曾爱军, 朱菁, 杨宝喜, 胡中华, 陈明, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所