1. 研究目的与意义（文献综述）

1课题的来源、目的及意义

1.1课题的来源

本课题来源于中国科学院光电研究院委托研发”极大规模集成电路制造装备及成套工艺”重大专项课题的一个子模块。

1.2课题的目的及意义

光刻机是现代大规模集成电路加工制造的核心装备，光刻工序是超大规模集成电路制作过程中的一道极为重要和关键的工序，光刻工序就是将即将制造的复杂微图形电路结构复制到晶圆表面的光敏光刻胶上，进而在光敏光刻胶表面形成所需的三维微图像。光刻机利用激光器产生的光束传送到曝光单元，并将掩模板上的图形成像到工件台的硅片面上。为了达到光刻所需要的光束尺寸，从激光器发射到照明系统的光束需要光束展宽模块进行光束整形，光束展宽模块分为扩束模块和光开关。

2国内外基本研究概况

目前广泛使用的激光扩束方案一般有两大类：一类是采用两个或多个透镜组成的透射式激光扩束器，如开普勒系统和伽利略系统。该系统的特点是结构简单，多由球面透镜组构成，故可以通过改变透镜组之间的间距来实现对激光束的变倍扩束，即可以设计扩束比连续变化的变倍系统。如果要求系统输出光束口径很大，则透镜的口径也随之增大，使得球差、慧差等与口径相关的像差显著增加，不仅影响照明分布的均匀性，也增加了透镜的加工难度与成本，所以该类系统只适用于小倍率扩束。另一类是采用反射式扩束系统，比如如卡塞格林系统和格里高利系统等，反射式激光扩束系统的特点是在系统中运用了大口径、非球面的反射镜组,不但提高了扩束比,而且极大的减小了系统的各种像差。由于使用了非球面镜,故带来了一定的加工和装调困难。此外，反射式系统扩束比不能调节,只能针对某一种光束口径进行设计，使其使用的范围受到了限制。

光刻机国外发展较早，在国内相对落后，国内目前也仅有上海微电子装备有限公司(SMEE)和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等少量单位具有研发光刻机的实力。

由于光刻机用激光扩束器必须根据具体条件设计，故基本只有光刻机和激光光源厂家生产此类扩束器。下面是几个国外厂家的扩束方案：

（1）Cymer公司扩束器方案

Cymer 采用的扩束器方案为两组圆柱透镜单元的扩束器，该扩束器采用四片镜片，其中一组镜片（两片1，4）单独控制水平方向（Horizontal）方向的扩束，另一组镜片（2，3）负责竖直方向的扩束（Vertical）。

图 2-1四片式扩束器单元

(2)X公司扩束器方案

X公司的扩束器采用的是三片光学元件，前两片为圆柱凹透镜，第三片为圆形透镜。该透镜方案的前两片透镜将光斑扩束的光斑到达圆形透镜时刚好为正方形。相对于四片的扩束器单元，其结构上相当于在第一组和第二组光学元件之间加了一个尺寸关联，然后就将透镜3和4合并起来。在结构上三片式扩束器单元更简单，但是其设计的灵活性较四片式差一些。

图 2-2三片式扩束器单元

(3)ASML公司扩束器方案

ASML的某个型号的光刻机中，其光路传输部分的扩束器方案如下图所示，可以看出其采用的也是3片扩束器单元，前两片A、B采用的是圆柱形棱镜，第三片图中画的是圆柱状透镜，一般情况下应该为球面棱镜，它的作用是对光束的两个方向进行准直。但是该方案的不同点之一就是将Steering Mirror（Position M1）集成到了扩束器之中，这样的做法可以保证结构的紧凑性。

图 2-3 ASML扩束器方案

近几年，我国在大扩束比激光扩束器研制有了新的突破，比如同济大学物理系非球面光学研究实验室研制的“Φ300 HTM激光扩束器”（如图）。据了解，其为通光口径Φ300、倍率30、仪器总长950mm的短筒长、大口径和高倍率的哈特曼扩束器。物镜采用非球面，光学系统采用平像场设计，光学材料采用石英玻璃，镜筒材料采用铟瓦合金。此扩束器具有精度高、用途广等特点，可用于激光发射光学系统和激光接受光学系统。

2. 研究的基本内容与方案

3拟采用的技术方案和措施

3.1预计达到的目标

光束展宽模块可控制激光的通断，并对准分子激光器发出的光束进行整形，使其达到所要求的光斑尺寸，并在一定范围内可以调节，使其满足相应的精度。使用ZEMAX光学分析软件模拟调节情况，设计出光学系统合理的相对位置和可调节空间及调节精度，并最终做出符合要求的光束展宽模块。

3.2关键技术和方案

（1）扩束方案本文拟采用伽利略式透镜系统，光束的扩束可以通过一对焦点重合的负透镜和正透镜组成，其扩束原理如图3-1所示：

图3-1伽利略式透镜模型

对于没有发散角的理想平行光束，其放大比根据相似三角形原理可以简单表述为M=D/d=f2/f1。而实际光束存在发散角，使得最终光斑偏移预定的尺寸，后期会进行补偿计算，计算方法这里不再赘述。

（2）参数计算原理

图3-2参数计算原理图

（3）光开关（光闸）用来控制激光的通断，在光路为通路状态下，激光正常经过光闸孔，光路为断开状态时，光闸挡住光路并将激光的能量耗散。其结构原理大致如下：

图3-3光开关结构原理图

光开关主要分为三个模块：进给模块，散热模块和光开关框架。进给模块控制光闸镜的前后移动来实现对激光的通断，散热模块通过散热片利用热对流、热传导将激光的能量进行吸收并消耗掉，根据激光的功率以及能量吸收效率和热传导公式可以计算选择散热片的散热方式以及大小尺寸。

3. 研究计划与安排

4.进度安排

4. 参考文献（12篇以上）

5.参考文献

[1] 工程光学[m]. 机械工业出版社, 2006.

[2] 赵阳, 巩岩. 折反射式连续变倍扩束系统的设计[j]. 光电工程, 2010, 37(4): 77-82.

[3] lee, kag hyeon, et al. "design of illumination system for arf excimer laser step-and-scanner." proc. spie. vol. 3334. 1998.