光刻照明镜头

技术领域

本申请属于光学器件领域，具体涉及一种光刻照明镜头。

背景技术

表面等离子作为一种超衍射电磁模式，其传输波长远小于相同光子频率下的真空波长，利用表面等离子体技术制作的光刻机，得到的分辨率可减小至百纳米之下。但是，传统照明镜头的照明光斑面积较小，不能满足表面等离子光刻的需求。

发明内容

本申请实施例提供一种光刻照明镜头，能够解决光斑面积较小的技术问题。

本申请实施例提供一种光刻照明镜头，包括沿照明光传输方向依次设置的光源、准直镜组、复眼镜组和聚焦镜组；

光源用于提供照明光；

准直镜组具有正光焦度，用于对经光源发出的照明光进行准直；

复眼镜组具有正光焦度，用于对经准直镜组准直的照明光进行匀光整形；

聚焦镜组具有正光焦度，用于对经复眼镜组匀光整形的照明光聚焦在照明面上；

其中，准直镜组至少包括沿照明光传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为球面镜。

根据本申请前述实施方式，准直镜组的焦距与复眼镜组的焦距满足以下关系

1.2＜F

其中，F

和/或

复眼镜组的焦距与聚焦镜组的焦距满足以下关系

0.1＜F

其中，F

根据本申请前述任一实施方式，第一透镜、第二透镜、第三透镜均为正光焦度。

根据本申请前述任一实施方式，第一透镜的焦距与准直镜组的焦距满足如下关系

1.5＜F

其中，F

和/或

第二透镜的焦距与准直镜组的焦距满足如下关系

2.1＜F

其中，F

和/或

第三透镜的焦距与准直镜组的焦距满足如下关系

2.7＜F

其中，F

根据本申请前述任一实施方式，第一透镜的光源侧面为凹面，照明面侧面为凸面，第一透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

和/或

第二透镜的光源侧面为凹面，照明面侧面为凸面，第二透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

和/或

第三透镜的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第三透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

根据本申请前述任一实施方式，复眼镜组包括沿照明光传输方向依次设置的第一复眼透镜和第二复眼透镜，

第二复眼透镜的光源侧面与第一复眼透镜的焦点重合，

第一复眼透镜和第二复眼透镜均为正光焦度。

根据本申请前述任一实施方式，准直镜组的焦距与第一复眼透镜和第二复眼透镜中的微透镜单元的焦距满足如下关系

0.3＜F

其中，F

根据本申请前述任一实施方式，第一复眼透镜与第二复眼透镜的光源侧面为凸面，照明面侧面为平面。

根据本申请前述任一实施方式，第一复眼透镜与第二复眼透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

根据本申请前述任一实施方式，聚焦镜组包括第四透镜和第五透镜，

第四透镜和第五透镜均为正光焦度。

根据本申请前述任一实施方式，第四透镜的焦距与准直镜组的焦距满足如下关系

7.8＜F

其中，F

和/或

第五透镜的焦距与准直镜组的焦距满足如下关系

26＜F

其中，F

根据本申请前述任一实施方式，第四透镜的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第四透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

和/或

第五透镜的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第五透镜的折射率满足如下关系

1.4＜n

其中，n

根据本申请前述任一实施方式，光刻照明镜头还包括第一光阑；

第一光阑设置在准直镜组与复眼镜组之间，用于拦截经准直镜组准直的照明光中的边缘光线。

根据本申请前述任一实施方式，第一光阑与准直镜组之间的距离为15mm～17mm，第一光阑与复眼镜组之间的距离为22mm～27mm，第一光阑的直径为87mm～93mm。

根据本申请前述任一实施方式，光刻照明镜头还包括第二光阑；

第二光阑设置在复眼镜组与聚焦镜组之间，用于拦截经复眼镜组匀光整形的照明光中的边缘光线。

根据本申请前述任一实施方式，第二光阑与复眼镜组之间的距离为0.1mm～0.5mm，第二光阑与聚焦镜组之间的距离为290mm～300mm，第二光阑的直径为73mm～80mm。

本申请实施例的光刻照明镜头中，复眼镜组起到匀光、光束整形的关键作用，可以根据需要采用矩形的微透镜结构，将光源发出的光整形成高均匀性矩形光斑，保证光刻照明的顺利开展。通过合理设置复眼镜组的曲率半径、尺寸大小，得到高均匀性、大照明面积的光斑。该光刻照明镜头各部分可采用相同材质的光学玻璃，有效降低成本。同时，该设计方案还具有低像方数值孔径、窄过渡区的特点。

附图说明

图1是本申请实施例提供的光刻照明镜头的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的光刻照明镜头的照明光斑示意图(灰度图)；

图3是本申请实施例提供的光刻照明镜头的照明光斑示意图(伪彩色图)。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连通”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可依具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的不同特征之间可以相互结合。

为方便理解本申请实施例提供的光学镜头，对本申请中涉及到的有关名词进行解释：

光源：提供照明输入的发光元器件；

照明面：光源经照明镜头整形后所形成的投影在工作面上的光斑所在面；

光轴，是一条经过各个光学透镜的中心的轴线。

以透镜为界，光源所在一侧为物侧，透镜靠近光源侧的表面称为光源侧面。

以透镜为界，光源的图像所在的一侧为照明面侧，透镜靠近照明面侧的表面称为照明面侧面。

正光焦度，也可以称为正折光力，表示透镜有正的焦距。

负光焦度，也可以称为负折光力，表示透镜有负的焦距。

焦距(focal length)，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。

请参阅图1，本申请实施例提供的光刻照明镜头100，包括沿照明光传输方向依次设置的光源01、准直镜组A、复眼镜组B和聚焦镜组C。

光源01用于提供照明光。在一些实施例中，光源01可以为i线365nm波长的LED光源01，具有一定的发散角度，为整个照明系统提供照明光源01输入。同时，可以避免使用高压汞灯造成的环境污染，降低人体吸入汞蒸气造成的人身伤害的风险。

准直镜组A具有正光焦度，用于对经光源01发出的具有一定发散角的照明光进行准直；准直镜组A至少包括沿照明光传输方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3均为球面镜。

复眼镜组B具有正光焦度，用于对经准直镜组A准直的照明光进行匀光整形，以提高光斑的均匀性，得到特定形状的照明光斑。

聚焦镜组C具有正光焦度，用于对经复眼镜组B匀光整形的照明光聚焦在照明面02上；最终形成大面积、高均匀性、低像方数值孔径、窄过渡区的光刻照明光斑。

本申请中，通过采用全正光焦度镜组，有效对光源01发出的大发散角度的照明光线进行收束、整形，保证光线在各镜片表面具有较小的入射角，有效降低系统的公差敏感性，提高光学系统装配良品率；同时准直镜组A的透镜全部采用球面镜，在保证准直效果的同时，有效降低成本；利用该设计方案可以在保证光学系统参数性能的情况下使用较少的镜片数，有效降低了成本。

在一些实施例中，准直镜组A的焦距与复眼镜组B的焦距满足以下关系

1.2＜F

其中，F

在一些实施例中，复眼镜组B的焦距与聚焦镜组C的焦距满足以下关系

0.1＜F

其中，F

在一些实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均为正光焦度。该设置有利于实现光源发散光线的高准直度，通过正光焦度透镜的汇聚作用，采用三片镜片逐级汇聚，得到不同视场均具有高准直度的出射光束。

在一些实施例中，第一透镜1的焦距与准直镜组A的焦距满足如下关系：

1.5＜F

其中，F

在一些实施例中，第二透镜2的焦距与准直镜组A的焦距满足如下关系：

2.1＜F

其中，F

在一些实施例中，第三透镜3的焦距与准直镜组A的焦距满足如下关系：

2.7＜F

其中，F

在一些实施例中，第一透镜1的光源侧面为凹面，照明面侧面为凸面，第一透镜1的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

在一些实施例中，第二透镜2的光源侧面为凹面，照明面侧面为凸面，第二透镜2的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

在一些实施例中，第三透镜3的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第三透镜3的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均选择折射率为1.4～1.5的光学石英材料，可保证对i线紫外光具有较高的透过率，同时可有效降低成本。

本申请实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均为球面镜，由于照明光源为扩展光源，不同视场的光线发散角度不同，需要对多视场的发散光线均进行充分的准直，通过对三个球面镜进行合理的参数设计，对光线进行至少三级准直，使得准直镜组A在保持较高的准直效果的同时，可以有效降低成本。

在一些实施例中，复眼镜组B包括沿照明光传输方向依次设置的第一复眼透镜4和第二复眼透镜5，第二复眼透镜5的光源侧面与第一复眼透镜4的焦点重合，第一复眼透镜4和第二复眼透镜5均为正光焦度。第一复眼透镜4用于将准直镜组A准直的平行光进行微分，第二复眼透镜5用于将从第一复眼透镜4出射的光进行积分，达到匀光并整形的目的。

在一些实施例中，第一复眼透镜4和第二复眼透镜5是由相同的微透镜单元拼接而成，准直镜组A的焦距与第一复眼透镜4和第二复眼透镜5中的微透镜单元的焦距满足如下关系：

0.3＜F

其中，F

在一些实施例中，微透镜单元的尺寸为3.6mm×3.6mm，可以保证得到较大的照明光斑面积，同时保证微透镜单元的可加工性，保证微透镜单元胶合成复眼透镜的可行性。

在一些实施例中，微透镜单元的排列形状决定了最后获得的光斑形状。例如，若微透镜单元排列成矩形，那么获得的光斑形状则为矩形；若微透镜单元排列成圆形，那么获得的光斑形状则为圆形。本申请实施例中，第一复眼透镜4和第二复眼透镜5的结构完全相同，第一复眼透镜4和第二复眼透镜5的微透镜单元的微透镜单元均排列成矩形，第一复眼透镜4的微透镜单元与第二复眼透镜5的微透镜单元一一对应。

在一些实施例中，第一复眼透镜4与第二复眼透镜5的光源侧面为凸面，照明面侧面为平面。该设置有利于实现对照明光源的分割，对照明光源先微分再积分，实现高均匀性照明。

在一些实施例中，第一复眼透镜4与第二复眼透镜5的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

在一些实施例中，聚焦镜组C包括第四透镜6和第五透镜7，第四透镜6和第五透镜7均为正光焦度。该设置有利于实现对经过复眼透镜组匀化的照明光斑进行汇聚成像，得到高均匀照明光斑。

在一些实施例中，第四透镜6的焦距与准直镜组A的焦距满足如下关系：

7.8＜F

其中，F

在一些实施例中，第五透镜7的焦距与准直镜组A的焦距满足如下关系：

26＜F

其中，F

在一些实施例中，第四透镜6的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第四透镜6的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

在一些实施例中，第五透镜7的光源侧面为凸面，照明面侧面为凸面，第五透镜7的折射率满足如下关系：

1.4＜n

其中，n

本申请实施例中，第四透镜6、第五透镜7均选择折射率为1.4～1.5的光学石英材料，可保证对i线紫外光具有较高的透过率，同时可有效降低成本。

在一些实施例中，光刻照明镜头100还包括第一光阑S1；第一光阑S1设置在准直镜组A与复眼镜组B之间，用于拦截经准直镜组A准直的照明光中的边缘光线。通过设置第一光阑S1，可以减少进入复眼镜组B的杂散光。

在一些实施例中，第一光阑S1与准直镜组A之间的距离为15mm～17mm，第一光阑S1与复眼镜组B之间的距离为22mm～27mm，第一光阑S1的直径为87mm～93mm。这样的设置有利于减小在复眼镜组B中产生的杂散光，同时又能保证有足够的照明光源01传输至复眼镜组B。

在一些实施例中，光刻照明镜头100还包括第二光阑S2；第二光阑S2设置在复眼镜组B与聚焦镜组C之间，用于拦截经复眼镜组B匀光整形的照明光中的边缘光线。

在一些实施例中，第二光阑S2与复眼镜组B之间的距离为0.1mm～0.5mm，第二光阑S2与聚焦镜组C之间的距离为290mm～300mm，第二光阑S2的直径为73mm～80mm。这样的设置有利于控制边缘发散角度较大的光线和杂散光，同时实现大面积照明。

在一些实例中，光刻照明镜头100的关键参数满足以下关系：F/#＝1/(2NA)，NA＝nsin(u)，(y/2)/F2＝(h/2)/F3，tan(u)＝Y/(2F2)；

其中，F/#表示系统光圈值，NA表示系统数值孔径，u表示像方孔径角，h表示照明面02尺寸，Y表示微透镜单元尺寸；光刻照明镜头100的工作距＞365mm；光刻照明镜头100像方数值孔径＜0.1；

如图2所示，光刻照明镜头100的照明光斑为面积＞80mm*80mm的矩形；光刻照明镜头100的照明光斑不均匀性＜3％；光刻照明镜头100的过渡区尺寸＜1mm。如图3所示，过渡区为中心红色区域与外周蓝色区域之间的黄色线区域，从图中可以看出，本申请实施例的光刻照明镜头100形成的照明光斑的过渡区域非常窄。

综上，本申请实施例提供的光刻照明镜头100基于复眼镜组B设计，结合采用球面镜的准直镜组A以及聚焦镜组C，具有高均匀性、低像方数值孔径、大照明面02积、窄过渡区的优势，可用于i线光刻机照明系统，特别地，可用于接近/接触式光刻机、表面等离子体超分辨光刻设备的照明系统，可实现大面积、高均匀性照明，同时提供较大的照明光线准直度，充分保证图案均匀、有效地转移到晶圆上。

本申请实施例提供的光刻照明镜头100共5片透镜外加2片复眼透镜，利用较少的镜片数量达到较好的照明效果，且各光学元件均采用相同的石英材质，有效降低成本。同时，较少的镜片数量有效降低镜头装配中的累计公差，保证照明效果。

实施例

在本申请的一个具体实施例中，提供了一种如表1所示的光刻照明镜头100。

在本申请的一个具体实施例中，提供了如表1参数所示的光刻照明镜头100，所述第一透镜1的焦距F1＝130.99，所述第二透镜2的焦距F2＝177.84，所述第三透镜3的焦距F3＝207.4，所述一复眼透镜的焦距F4＝38.35，所述二复眼透镜的焦距F5＝38.35，所述第四透镜6的焦距F6＝548.65，所述第五透镜7的焦距F7＝1854.36；其单位均为mm。

在本实施例中，所述双复眼镜组B由参数相同的微透镜胶合而成；

在本实施例中，所述双复眼镜组B的复眼微透镜单元的尺寸为3.6mm×3.6mm，保证得到较大的照明光斑面积，同时保证微透镜单元的可加工性，保证微透镜单元胶合成复眼透镜的可行性；

在本实施例中，提供的光刻照明镜头100的像方数值孔径＜0.1，有效保证像方远心度，保证光刻曝光图案以较高的质量转移到晶圆表面；

图2为本实施例中提供的光刻照明镜头100的照明光斑图，如图所示，照明光斑面积＞80mm×80mm，不均匀性＜3％，过渡区＜1mm，有效保证大面积、高均匀性、窄过渡区的效果。

在本实施例中，所述光刻照明镜头100采用的成像波长为i线365nm紫外光，可用于i线光刻系统的照明，特别的，可用于i线接近/接触式光刻机、表面等离子体超分辨光刻机等光刻机系统。