使激光束扩展而不扩展空间相干性的系统和方法

摘要

一种扩展激光束发射的光，而不改变空间相干性，或不产生散斑的系统和方法。本系统包括激光光源和有多路复用装置的光学投影系统。该多路复用装置把激光光源发射的光，扩展成多束光强大致彼此相等的光束，而不改变空间相干性。该多路复用装置有多个空间上分离的光束分束器，平行于反射镜放置，并在反射镜的同一侧。本系统还包括照明光学系统和投影光学系统，该照明光学系统会聚该多束光束的每一束，该投影光学系统把被照明光学系统输出光照明的掩模的图像，投射在基片上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使激光束扩展而不扩展其空间相干性的系统和方法。

背景技术

在光刻技术或其他有关技术中(例如全息术)，因为照明系统的场通常大大地大于激光束，所以准分子激光束或深UV(DUV)准分子激光束的扩展是必须的。通常，激光束是10mm×10mm或5mm×20mm，而照明场可以是120mm×25mm。虽然激光束被说成具有矩形或方形截面，但各种截面的光都可以使用。一般说，光刻装置使用的配置包含一个反射器和一个部分反射器(或光束分束器)，在光学多路复用器中预先把激光束扩展，之后，把该预先扩展的光束在光刻设备的其他部分进一步扩展。遗憾的是，用通常的光学装置(透镜，棱镜)的扩展，增加激光的空间相干性，并产生散斑问题。为此，可以使用其他光学装置。使用反射器/光束分束器配置的缺点，在于它要求一种复杂的“楼梯”式部分反射器设计，该种反射器包括反射率按预定参数作阶梯式变化的膜层小斑块。该种配置要求激光束的大小和位置，准确与该“楼梯”式小斑块图形匹配。还有，“楼梯”式部分反射器的实际实施，导致各小斑块与扩展光束之间出现无膜层区域，产生暗区域穿过光束断面亮区域的“斑马”图形。此外，准分子激光有随时间改变光束大小和发散度的趋势。

因此，需要的是一种能扩展激光器发射的光而不改变光的空间相干性、不产生散斑图形、不需要“楼梯”式部分反射器的系统和方法。

发明内容

本发明各实施例提供的一种光学系统，包括激光光源和多路复用装置。该多路复用装置有多个空间上分离的光束分束器，平行于反射镜放置，并在反射镜的同一侧。该多路复用装置，把激光光源发射的光，在不改变空间相干性的情况下，扩展成多束光强基本上彼此相等的光束。本光学系统还包括照明光学系统和投影光学系统，该照明光学系统会聚该多束光束的每一束，该投影光学系统把被照明光学系统输出光照明的掩模的像，投射在基片上。

本发明其他实施例提供的一种光多路复用装置，包括反射器和置于该反射器同一侧并与之平行的多个空间上分离的光束分束器。该多路复用器把激光光源发射的光，在不改变激光器发射的光的空间相干性情况下，扩展成多束光强基本上彼此相等的光束。

本发明各实施例提供的一些优点是，通过利用比“楼梯”式光束分束器容易制作得多的均匀的部分反射器，使激光束扩展而不改变它的空间相干性，也不产生散斑图形。另一个优点是，激光束与光束分束器的精确对准不太严格，而在先前的装置中，这是很严格的。

本发明另外的实施例、特性、和优点，以及本发明各种实施例的结构和工作原理，将参照附图详细说明于后。

附图说明

本说明书引用并构成说明书的一部分的附图，表明本发明的实施例，并与说明一起，阐明本发明的目的、优点、和原理。

图1画出一种按照本发明实施例的光学系统。

图2A-2B按照本发明各实施例，画出在图1光学系统一部分中的光学多路复用器各单元及光的传播。

图3按照本发明的一个实施例，画出在图1光学系统一部分中的光学多路复用器各单元及光的传播。

图4按照本发明的一个实施例，画出在图1光学系统一部分中的光学多路复用器各单元及光的传播。

图5按照本发明的一个实施例，画出在图1光学系统一部分中的调整系统及多路复用器各单元。

在各图中，最相似的参考数字表示相同的或基本上相同的单元。此外，参考数字最左侧的数字，表明该参考数字第一次使用的图的号码。

具体实施方式

图1画出的系统100，用于扩展激光器104发射的光102而不改变光102的空间相干性，又基本上消除散斑图形。激光器104可以是准分子激光器或深UV准分子激光器。光102由光束调节器108中的多路复用器106接收。光束调节器108向照明光学装置110输出光，照明光学装置110接着通过掩模或掩模版112，经投影光学装置114，把光透射至基片116上。该系统的一个实施例，可以是光刻系统，或诸如此类。该系统的另一个实施例，可以是全息系统。虽然扩展是由多路复用器106执行的，但多路复用器106可以是把光扩展约四至六倍的预扩展系统，或第一扩展系统，而进一步的扩展可以由系统100中的其他光学装置完成。通过使用预扩展系统106，与常规扩展系统有关的散斑和其他问题，可以基本上消除。

现在转向图2A，图上画出多路复用器106的一个实施例。该多路复用器106包括带有反射表面202、位于从该反射表面202伸延的平面内的反射器200。第一和第二光束分束器204和206，放在反射器200的同一侧，并位于与反射表面202的伸延平面平行的平面内，该第一和第二光束分束器204和206，可以是有多层介质膜层的50/50的光束分束器，或不是产生近似相等强度的扩展光束，而是任何其他比值的光束分束器。反射器200到第一光束分束器204的距离d，等于第一光束分束器204到第二光束分束器206的同一距离d。该距离d按照下面公式，由角度α与光束102的宽度a定义，该角度α是光102与第一光束分束器204的对称轴208的交角：

        d＝a/(2*sinα)                (1)

还有，角度α、光束102的宽度a、和激光器104的时间相干性长度L，由下面公式关联：

        tanα＜a/L                    (2)

此外，第一光束分束器204相对于反射器200的边缘210平移b，而第二光束分束器206则平移4b，这里：

         b＝d*tanα                   (3)

理想的情况是，角度α比a/L小得多。在某些实施例中，要选取角度α的值，再根据选取的值来计算其他参数。

激光器104的时间相干性长度L，由λ²/Δλ定义，这里Δλ是辐射的谱范围，而λ是激光器104的的中心波长。举例说，微光刻使用的准分子激光器的典型波长，是248、193、和157nm。辐射的谱范围随光刻设备和激光器的设计而变化。辐射的谱范围可以小到1pm，也可以宽达100pm。因此，相干长度L的范围，可以从.25mm到40mm。

用来计算宽度a的端部，要根据激光束204的哪一端需要扩展而定。在一个不同参数范围的例子中，光束可以是5mm×20mm。从而，宽度a是5mm并扩展4倍。在其他实施例中，宽度a的扩展，可以从4倍到6倍。在本例中，尽管L随谱的范围而改变，时间相干性长度L是20mm，而入射角α是10°(度)。所以在本例中，d＝5mm/2*sin10＝14.4mm，和b＝14.4mm*tan(10)＝2.54mm。

示于图2A的实施例在工作时，激光器104发射的光102，在第一光束分束器204上按预定的角度被接收，第一光束分束器204把光102的第一部分向反射器200反射，又向第二光束分束器206透射该光的第二部分。反射器200接收光102的第一部分，并向第二光束分束器204反射光102的第三部分。第二光束分束器206接收光102的第二部分，向反射器200反射光102的第四部分，并透射光102的第五部分，以产生第一输出光束212。第二光束分束器206接收光102的第三部分，向反射器200反射光102的第六部分，并透射光102的第七部分，以产生第二输出光束214。反射器200接收光102的第四部分，并反射光102的第八部分，以产生第三输出光束216。最后，该反射器接收光102的第七部分，并反射光102的第九部分，以产生第四输出光束218。第一到第四输出光束212-218可以是强度相等的，且约为输入光束102强度的25％。一种实施办法是用50/50的光束分束器。

在图2B中可见，本发明的另一个实施例包括，相对于反射器200的边缘210平移2b的第二光束分束器206，取代图2A的平移4b。通过这种配置，把第二光束分束器206移动2b，光的第三光束不是被部分反射和部分透射，而仅产生第二输出222。除此之外，与上述光的传播类似，产生三束有近似相同强度的输出光束220、222、和224。通过利用66∶33的光束分束器204及50∶50的光束分束器206，可以支持输出光束220、222、和224的该种强度。

现在参考图3，图上画出另一个多路复用器106′的实施例。在本实施例中，多路复用器包括反射器300，和第一、第二、和第三光束分束器302、304、和306，这些光束分束器可以是50/50的光束分束器。光束分束器参数d、b、α、和L的关系如上所述。在本实施例中，第一光束分束器302与反射表面308的伸延平面相隔的距离是d，第二光束分束器304相隔的距离是2d，而第三光束分束器306相隔的距离是4d。还有，第一光束分束器302从反射器300的边缘310平移距离b，同时，第二光束分束器304平移距离4b，而第三光束分束器则平移距离10b。

图3的实施例在工作时，光102按预定角度α在第一光束分束器302上被接收，第一光束分束器302向反射器300反射光102的第一部分，又向第二光束分束器304透射光102的第二部分。第二光束分束器304向反射器300反射光102的第三部分，又向第三光束分束器306透射光102的第四部分。在反射器300上接收的光102的第一部分，作为光102的第五部分，向第二光束分束器304反射。光束分束器304向反射器300反射光102的第六部分，并向第三光束分束器306透射光102的第七部分。光102的第三部分被反射器300接收，又作为光102的第八部分，向第三光束分束器306反射。光102的第四部分，被第三光束分束器306接收，又作为光102的第九部分，被反射至反射器300。第三光束分束器306透射光102的第十部分，以产生第一输出光束312。

反射器300接收光102的第六部分，并向第三光束分束器306反射光102的第十一部分。第三光束分束器306接收光102的第七部分，并向反射器300反射光102的第十二部分，还透射光102的第十三部分，以产生第二输出光束314。第三光束分束器306接收光102的第八部分，并向反射器300反射该光的第十四部分，还透射该光的第十五部分，以产生第三输出光束316。

反射器300接收光102的第九部分，反射光的第十六部分，以产生第四输出光束318。光102的第十一部分，被第三光束分束器306接收，并作为光102的第十七部分，向反射器300反射，还作为光102的第十八部分透射，以产生第五输出光束320。光102的第十二部分，被反射器300接收，并作为光102的第十九部分被反射，以产生第六输出光束322。反射器300接收光102的第十四部分，并反射光102的第二十部分，以产生第七输出光束324。最后，反射器300接收光102的第十七部分，并反射光102的第二十一部分，以产生第八输出光束326。这样，通过示于图3的配置，产生八束输出光312-326，每一束近似有输入光束102总光强的1/8。

虽然为了方便而没有画出，但显而易见，本发明的其他实施例可以一般化为使激光器104的光102扩展2^N倍或2^N次多路复用。光102的该种扩展，也叫“多路复用”。光束分束器可以是50/50的光束分束器，或任何其他实施例要求的光束分束器，光束分束器的数目，在随后的每一情况中，必须等于N。在一般情形中，光束102相对于第一光束分束器的角度α由上面的方程式(2)定义。光束分束器的编号，从最靠近反射器的一个开始：1、2、…k、…N。第一光束分束器离开该反射器的距离是d，这里d由上面的方程式(1)定义。第k个光束分束器的位置，离开前一个光束分束器的距离是(k-1)*d。还有，第一光束分束器相对于反射器的边缘平移b，这里b由上面的方程式(3)定义。第k个光束分束器相对于前一个光束分束器平移(k-1)*3b。

在其他的实施例中，光束分束器中反射与透射之比可以稍稍改变，以便计及系统100内的光损耗。这是为了补偿光束分束器中材料的吸收，低于要求的反射率，和光的散射。此外，各光束分束器的厚度是预先确定的，以便使光束102因折射而在光束分束器体内产生的平移为最小。例如，在光刻的应用中，该预定的厚度在1mm到3mm之间。然而，对本发明的其他实施例，可以用其他的厚度值，这并不偏离本发明的范围。

现在参考图4，图上画出本发明另一个多路复用器106″的实施例。该多路复用器106″，与上面讨论的实施例产生光束102的2^N倍扩展比较，只产生光束102的N倍扩展。该多路复用器106″包括：平行排列的第一反射器400、第一光束分束器402、第二反射器404、和第二光束分束器406。各单元之间间隔的确定，与上面说明的类似。

工作时，光102在第一光束分束器402上按预定的角度α被接收，第一光束分束器402把光102的第一部分，向第一反射器400反射，又向第二光束分束器406透射光102的第二部分。在第一反射器400接收的光102的第一部分，作为光102的第三部分，向第二光束分束器406反射。光102的第二部分，被第二光束分束器406接收，并作为光102的第四部分，向第二反射器404反射，还作为光102的第五部分透射，以产生第一输出光束408。第二光束分束器406接收光102的第三部分，并把光102的第六部分，向第二反射器404反射，还透射光102的第七部分，以产生第二输出光束410。光102的第四部分，被第二反射器404接收，并作为光102的第八部分被反射，以产生第三输出光束412。最后，该光的第六部分，被第二反射器404接收，并作为该光的第九部分反射，以产生第四输出光束414。每一所述输出光束408-414，强度约为入射光束102的25％。

现在转到图5，图上画出一种用于多路复用器106的调整系统500。仅仅作为例子，类似于图2所示的一种两光束分束器多路复用器106，可以用作调整系统500的周边设施。在该系统500中，多路复用器106紧固在外壳502内，该外壳502有光束分束器紧固装置504、反射器紧固装置506、和检测器510的紧固装置508。在一些实施例中，检测器510可以是分区的检测器(如象限检测器)，以便更精确地确定受检光束的特征。调整装置512与紧固装置504、506、和508偶联。该调整装置512还与控制器514偶联，控制器514根据从检测器510接收的信号，以三个自由度，如箭头所示，控制紧固装置504、506、和508的调整。

工作时，当或者由于激光器104未对准，或者由于光束102的畸变，导致激光器104的光102射到非检测区域516之外时，检测器510即产生信号。非检测区域516的宽度可以是光102的宽度a。当控制器514收到来自检测器510的信号时，控制器514向调整装置512发出控制信号，使之用光束分束器紧固装置504来调整光束分束器的位置。如上所述，光束分束器紧固装置504能够在三个自由度上调整光束分束器，如图中箭头所示。经过调整，光束102又只通过检测器510的非检测区域516透射，以此确保多路复用器106精确地产生扩展的光束。显然，能够修改调整系统500，使之适应任何数量的光束分束器和反射器。

显然，在多路复用器106内，光束分束器或其他单元的调整，可以用手动完成。在这种的实施办法中，或者根据某种检测器，或者通过视觉判断，判定光102射到多路复用器预定区域之外时，向用户发出报警。然后，用户应进行机械调整，使光束102重新对准。

已经在本文说明本发明举出的各实施例。正如在多处所指出，举出的这些实施例，仅为了说明，而不是对本发明的限制。其他的实施例是可能的，并被本发明覆盖。这样的实施例，本领域熟练人员按照包含在本文的教导，是显而易见的。因此，本发明的广度和范围，不应受上面说明的任何示范性实施例的限制，而只应由下面的权利要求书及其等效叙述所界定。