CN103389583A - 一种偏振光调制元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种偏振光调制元件，解决了高NA光刻技术中光束由Y偏振光转换为径向偏振光和切向偏振光问题，所述偏振光调制元件由两块呈中心对称分布的半圆形调制元件拼接而成，每块半圆形调制元件表面边缘轮廓为连续曲线，边缘轮廓线上每一确定点到对称中心O点的距离连线区域具有确定的厚度，具体的厚度与旋转的角度有关。该调制元件用来旋转线偏振光的偏振方向而不改变线偏振光的特性，两块半圆形调制元件所用材料为石英晶体，两块半圆形调制元件光胶在一块熔石英基底上，该偏振调制元件具有机械稳定性好、温度变化影响小、调制精度高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振光调制元件，属于光刻照明技术领域。
背景技术
光学投影曝光技术自1978年诞生以来，先后经历了g线、i线、248nm、193nm等几个技术发展阶段。从出现至今的短短几十年的时间里，受到社会信息化进程的强烈牵引，与光学投影曝光技术相关的集成电路先后经历了小规模、超大规模直至极大规模等几个发展阶段，极大规模集成电路已经成为高技术领域发展的基石，从卫星、火箭等航空航天领域，到雷达、激光制导导弹国防领域，以及人们日常生活的各个领域都离不开极大规模集成电路，它不仅是主要的信息处理器件，同时也发展成为信息存储的重要载体之一。把越来越多的晶体管电路元件集成在硅片上，一直是国际微电子工业界不懈追求的目标。因此，减小集成电路最小线宽尺寸是提高存储能力的重要手段。在加工制造集成电路的设备很多，光刻机是目前技术最成熟的设备。光刻机的核心部件是投影曝光光学系统，该系统最重要的组成部分是照明系统和投影物镜系统。照明系统主要功能是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现照明模式。随着半导体工业和纳米技术的发展，对新一代具有纳米级超精密图形分辨力的光刻技术的需求显得更加迫切。实践证明，在发展短波长和高数值孔径的同时，采用诸如离轴照明、移相掩模、光学邻近效应校正、光瞳滤波等分辨力增强技术，将上述几种技术有机地结合起来，对于延伸现有光学光刻技术分辨力，延缓下一代光刻技术的成熟将起到重要的作用。
然而随着数值孔径的增大和曝光波长的缩短，基于偏振性的矢量衍射效应对光刻图形质量的影响越来越大。当光刻的最小特征尺寸接近和低于曝光波长时，将导致P和S两种偏振光通过掩模的透过率不同，另外两种偏振光在光刻胶层面的透过率和反射率不同，导致曝光剂量不均匀，且这种由P和S偏振光导致的曝光剂量不均匀可以达到20%。所以，当线宽尺寸在65nm及以下节点时，光的偏振性对光刻分辨率影响显著，要使用偏振器件使入射光束转化成偏振光参与成像。
期刊APPLIED OPTICS/Vol.46,No.30题名为Generating radial or azimuthal polarization byaxial sampling of circularly polarized vortex beams的文章介绍了产生径向和切向偏振光的方法，文章中产生径向和切向偏振光所采用的技术方案是从0度到360度，所用晶体厚度连续递增，由于晶体厚度连续递增，因此该晶体本身不具有机械稳定性，同时厚度不断增大受温度影响也较大。而本发明充分考虑了以上不足之处，采用两块呈中心对称的结构，厚度也进行了控制，与文章中所用技术路线有较大改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种偏振光调制元件，解决高NA光刻技术中光束由Y偏振光如何转换为径向偏振光和切向偏振光。本发明所述的偏振光调制元件将输入的Y偏振光转化为径向偏振光或切向偏振光，所述偏振光调制元件由两块呈中心对称分布的半圆形调制元件和基底构成，该偏振调制元件具有机械稳定性好、温度变化影响小、调制精度高、成本低等优点，对提升整个高均匀性照明以及整个光刻曝光光学系统性能都起着至关重要的作用。
本发明采用的技术方案为：一种偏振光调制元件，所述的偏振光调制元件由第一半圆形调元件、第二半圆形调制元件和基底构成，第一半圆形调元件和第二半圆形调制元件光胶在基底上，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件所用材料为旋光性材料，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件结构相同，均为一面为平面，另一面为平滑斜面，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件拼接而成的平面一侧位于ｘｙ面内，二者呈中心对称分布，且第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件沿ｚ向切面均为半圆形，且二者的半径相等，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件通过拼接而成圆形，其圆周面上的任意一点到光轴ｚ的垂直距离相等；A点和B点是第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件的沿圆周处的接点，第一半圆形调制元件的B点部分和第二半圆形调制元件的A点部分为厚度极大值dmax，第一半圆形调制元件的A点部分和第二半圆形调制元件的B点部分为厚度极小值dmin，其中：
以A点为起点，第一半圆形调制元件顺时针旋转角度θ所对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+θ/α，0≤θ≤180°
其中a为石英晶体的旋光率；
以A点为起点来看，第二半圆形调制元件顺时针旋转角度θ对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+(θ-180°)/α，180°≤θ≤360°
其中a石英晶体的旋光率。
其中，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件的最大厚度相等，且最小厚度也相等。
其中，所述的基底为正方形，且保证第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件拼接成的圆是基底的内接圆，或者基底为圆形，且保证第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件拼接成的圆与基底等大重合。
其中，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件采用石英晶体。
其中，在波长193纳米，温度为21.6℃时，石英晶体厚度从557.1μm变化到1.114mm。
其中，第一半圆形调制元件和第二半圆形调制元件的厚度为557.1μm－1.114mm的Ｎ倍或Ｎ+0.5倍，Ｎ为正整数。
其中，基底采用熔石英或玻璃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、机械稳定性好，第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2呈中心对称分布，同时被光胶在2毫米厚的基底3上，这两种措施有利于保证偏振光调制元件旋转时的机械稳定性，从而保证偏振光的调制精度的稳定性。
2、温度影响小，本发明所述的偏振光调制元件中石英晶体厚度从557.1微米到1114微米连续变化，温度引起的旋转角度误差与厚度呈线性关系，本发明所述的偏振调制元件因石英晶体厚度很薄而受温度影响较小。
3、成本低，本发明采用两块一样的半圆形调制元件拼接并光胶在熔石英基底上，该偏振光调制元件可以实现从Y偏振光到径向偏振光或切向偏振光的转换，利用一种偏振光调制元件实现了两种偏振模式的转换，节约成本。
附图说明
图1为偏振光调制元件结构示意图；
图2为两块半圆形调制元件厚度变化与旋转角度曲线图；
图3为Y偏振光转化为切向偏振光示意图；
图4为Y偏振光转化为径向偏振光示意图；
图5为高NA光刻照明系统结构框图。
标号说明：1-半圆形调制元件、2-半圆形调制元件、3-基底、4-偏振光调制元件旋转轴、5-偏振光调制元件、6-Y偏振光、7-切向偏振光、8-径向偏振光。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为偏振光调制元件结构示意图，包括第一半圆形调制元件1、第二半圆形调制元件2和基底3。第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2采用石英晶体旋光性材料，如石英晶体具有天然的旋光性，利用它来旋转线偏振光的偏振方向，而不改变线偏振光的特性。基底3采用熔石英。第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2结构相同，均为一面为平面，另一面为平滑斜面，第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2拼接而成的平面一侧位于ｘｙ面内，二者呈中心对称分布，且第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2沿ｚ向切面均为半圆形，且二者的半径相等，第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2通过拼接而成圆形，其圆周面上的任意一点到光轴ｚ的垂直距离相等。第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2光胶在基底3上面。本例中基底3为正方形，A点和B点是第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2的沿圆周处的接点，C点为第一半圆形调制元件1圆弧的中点，D点为第二半圆形调制元件2圆弧的中点。两块半圆形调制元件厚度变化与旋转角度曲线如图2所示。第一半圆形调制元件1的B点部分和第二半圆形调制元件2的A点部分为厚度极大值dmax，第一半圆形调制元件1的A点部分和第二半圆形调制元件2的B点部分为厚度极小值dmin。通过图2可见，二者的最大厚度相同，且最小厚度也相同，厚度变化规律也相同，二者拼接而成的圆为中心对称结构。
对于旋光率，在同一波长条件下，它是温度的函数：
a(T)＝a0(T0)+r*(T-T0)
其中r表示线性温度系数，a0(T0)表示在参考温度T0的旋光率，a(T)表示在温度T时的旋光率。对于熔石英，在193nm波长，其线性温度系数r=2.36m rad/(mm*K)=0.135°/(mm*K)。
对于石英晶体，在波长193纳米,温度为21.6℃时，其旋光率a为323.1°/mm。石英晶体的旋光率a指每毫米石英晶体厚度使偏振方向改变的角度。考虑到石英晶体的实际加工情况，该偏振光调制元件5中第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2中最小厚度dmin表示为：
dmin＝180°/α
以A点为起点，第一半圆形调制元件1顺时针旋转角度θ所对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+θ/α (0≤θ≤180°)
以A点为起点，第二半圆形调制元件2顺时针旋转角度θ对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+(θ-180°)/α (180°≤θ≤360°)
在21.6℃时，要实现偏振方向旋转360°，则所需要石英晶体材料厚度为：360/323.1=1.114mm；同时实现90度、180度、270度旋转所需要厚度为：278.5μm、557.1μm、835.5μm。但对于偏振方向的旋转，旋转180度和旋转360度效果是等同的，即回到了初始偏振状态。从理论上讲，偏振角度从0度到180度变换时，厚度只需要从0变化到557.1μm，但考虑到实际加工工艺，厚度从0连续变化到557.1μm加工相当困难，因此，本发明第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2厚度均从557.1μm变化到1.114mm。由于厚度较薄所以将第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2光胶在厚度为2mm厚的基底3上，以保证旋转时的机械稳定性。第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2沿ｚ向切面的面积大于等于入射光束的通光口径。基底3通常做成正方形或者圆形，若做成正方形则保证第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2拼接成的圆是基底3的内接圆，若做成圆形则保证第一半圆形调制元件1和第二半圆形调制元件2拼接成的圆与基底3等大重合，光线入射时，光线的入射方向应与偏振光调制元件旋转轴4平行，即沿ｚ方向，垂直入射到偏振光调制元件5上。
本发明设计的偏振光调制元件5，石英晶体最大厚度1.114毫米，则设计的偏振光调制元件5因温度引起的偏振角度误差值为：
0.135*1.114=0.15°/K,即温度每变化1度时，偏振旋转角度变化0.15°，该量值能满足光刻曝光光学系统对偏振性能的要求。
当然也可以取上述厚度的Ｎ倍或Ｎ+0.5倍（Ｎ为正整数），以实现偏振光的变化，如从1.114mm变化到2.228mm，只要偏振角度误差值在可接收范围内即可。
图3为Y偏振光转化为切向偏振光示意图，输入光束偏振态为Y偏振光6，经过偏振光调制元件5后，光束偏振态变换为切向偏振光7。如图3所示，偏振光调制元件5中AB两点连线呈水平状态，CD两点连线呈竖直状态。
图4为Y偏振光转化为径向偏振光示意图，输入光束偏振态为Y偏振光6，经过偏振光调制元件5后，光束偏振态变换为径向偏振光8，如图4所示，偏振光调制元件5中CD两点连线呈水平状态，AB两点连线呈竖直状态。从图3和图4可以看出，从Y偏振光6转化为切向偏振光7和径向偏振光8，只需要将偏振光调制元件旋转90度。利用偏振光调元件5实现了两种偏振光状态的转换，大幅度节约了成本。
本发明中基底3材料还可以采用玻璃等高透过率无旋光性的材料。
图5为高NA光刻照明系统结构框图，从ArF激光器出射的激光源先后经过扩束系统1和扩束系统2，分别对激光光束水平方向和竖直方向进行光束扩束，以满足照明系统通光口径的要求。再经过光束稳定系统，分别对水平方向、竖直方向的指向稳定度和位置稳定度进行光束稳定，再经过偏振纯化装置，将通过光束稳定装置后光束的偏振度从95%提高到99.8%，再经过可变衰减器，对经过偏振纯化装置后的光束进行能量调节，再经过照明模式变换装置，对光束进行二级照明、四极照明、环形照明以及传统照明切换。经过照明模式变换装置后的光束经过偏振光调制元件，对输入光的偏振态进行转换，本发明所涉及的偏振光调制元件5只是一种产生切向偏振光7和径向偏振光8的调制元件，再经过变焦镜组和锥镜组，实现相干因子连续调节。再经过复眼镜组，对锥镜组出射的光束进行匀光处理，通过聚光镜组会聚于可变狭缝处。再经过耦合镜组将可变狭缝处的光束成像到掩模面上，实现高均匀性照明。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (7)
1.一种偏振光调制元件，其特征在于：所述的偏振光调制元件由第一半圆形调元件（1）、第二半圆形调制元件（2）和基底（3）构成，第一半圆形调元件（1）和第二半圆形调制元件（2）光胶在基底（3）上，第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）所用材料为旋光性材料，第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）结构相同，均为一面为平面，另一面为平滑斜面，第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）拼接而成的平面一侧位于ｘｙ面内，二者呈中心对称分布，且第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）沿ｚ向切面均为半圆形，且二者的半径相等，第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）通过拼接而成圆形，其圆周面上的任意一点到光轴ｚ的垂直距离相等；A点和B点是第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）的沿圆周处的接点，第一半圆形调制元件（1）的B点部分和第二半圆形调制元件（2）的A点部分为厚度极大值dmax，第一半圆形调制元件（1）的A点部分和第二半圆形调制元件（2）的B点部分为厚度极小值dmin，其中：
以A点为起点，第一半圆形调制元件（1）顺时针旋转角度θ所对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+θ/α，0≤θ≤180°
其中a为石英晶体的旋光率；
以A点为起点来看，第二半圆形调制元件（2）顺时针旋转角度θ对应的厚度d(θ)表示为：
d(θ)＝180°/α+(θ-180°)/α，180°≤θ≤360°
其中a石英晶体的旋光率。
2.根据权利要求1所述的偏振光调制元件，其特征在于：第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）的最大厚度相等，且最小厚度也相等。
3.根据权利要求2所述的偏振光调制元件，其特征在于：所述的基底（3）为正方形，且保证第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）拼接成的圆是基底（3）的内接圆，或者基底（3）为圆形，且保证第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）拼接成的圆与基底（3）等大重合。
4.根据权利要求3所述的偏振光调制元件，其特征在于：第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）采用石英晶体。
5.根据权利要求4所述的偏振光调制元件，其特征在于：在波长193纳米，温度为21.6℃时，石英晶体厚度从557.1μm变化到1.114mm。
6.根据权利要求5所述的偏振光调制元件，其特征在于：第一半圆形调制元件（1）和第二半圆形调制元件（2）的厚度为557.1μm－1.114mm的Ｎ倍或Ｎ+0.5倍，Ｎ为正整数。
7.根据权利要求1所述的偏振光调制元件，其特征在于：基底（3）采用熔石英或玻璃。
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| WO2011105308A1 (en) * | 2010-02-25 | 2011-09-01 | Nikon Corporation | Polarization converting unit, illumination optical system, exposure apparatus, and device manufacturing method |
-
2013
- 2013-07-24 CN CN2013103124124A patent/CN103389583A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 崔祥霞等: "径向偏振光研究的最新进展", 《激光杂志》, vol. 30, no. 2, 28 February 2009 (2009-02-28), pages 7 - 10 * |
Cited By (1)
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131113 |