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基于匀光管的极紫外消相干和光强均匀化仿真研究

李慧 谭芳蕊 尹皓玉 马钺洋 吴晓斌

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基于匀光管的极紫外消相干和光强均匀化仿真研究

李慧, 谭芳蕊, 尹皓玉, 马钺洋, 吴晓斌

Simulation study of decoherence and light intensity uniformization for extreme ultraviolet of uniform light pipe

Li Hui, Tan Fang-Rui, Yin Hao-Yu, Ma Yue-Yang, Wu Xiao-Bin
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  • 自由电子激光光源(free electron laser, FEL)可发出波长为13.5 nm的极紫外(extreme ultra-violet, EUV)辐射, 在EUV光刻领域能够发挥重要作用. 但FEL自身的高相干特性以及类高斯光强轮廓分布特征, 会对成像带来不利影响, 无法满足EUV光刻领域成像应用需求. 本文通过计算模拟的方法, 设计了一种匹配FEL应用的、用于EUV波段去相干和光强均匀化的新型匀光管结构. 模拟结果显示, 针对波长为13.5 nm、直径200 μm、发散度20 mrad的FEL-EUV高斯光束, 采用新型匀光管结构, 与常规匀光管结构相比, 在同等长度和内径时, 具有更显著的去相干能力和光场均匀化作用. 当新型匀光管内径为1 mm、总长度不低于0.6 m、倾斜角度为10 mrad时, 高相干光场完全被扰乱, 实现低相干光输出. 并可获得均匀照明光场, 光强分布不均匀性数值从常规圆柱型匀光管的28.38降低至0.97. 同时, 相应能量传输效率为37.6%, 最大传输效率达到44.58%. 结果表明, 新型匀光管结构能够满足EUV辐射去相干应用需求, 同时可提高照明视场光强分布均匀性, 在EUV光刻领域及其他成像应用具有很大应用前景.
    Free electron laser (FEL) is a high-quality laser source with wavelengths ranging from short-wave X-ray to long-wave infrared ray. Extreme ultra-violet (EUV) radiation at λ = 13.5 nm emitted by FEL can be used in manufacturing integrated circuit, such as EUV lithography exposure and mask defect inspection. However, the high spatial coherence characteristics and similar Gauss intensity profile distribution of FEL source has a negative effect on imaging, and cannot meet the requirements of imaging applications in EUV lithography. In this work, a newly light pipe for decoherence and intensity uniformity in an EUV spectral range is designed through the simulation calculations. The new light pipe consists of two pairs of tilted elements which are symmetrically distributed in the y-z plane and x-z plane, respectively. In this way, the beam transmission divergence in two dimensions can be widened at the same time, and the disturbance of the ray transmission track and spatial phase distribution is increased, so as to achieve the uniformization of light intensity and the reduction of spatial coherence.The simulation results show that for an EUV Gaussian beam at λ = 13.5nm, with a diameter of 200 μm, and a divergence of 20 mrad, the newly designed light pipe has more significant decoherence and illumination field uniformity than the conventional light pipe structure. When the new light pipe has an inner diameter of 1mm, a total length of not less than 600 mm, and a tilt angle of 10mrad , a basically uniform illumination field can be obtained, the coherence is completely disordered, and the non-uniformity of light intensity distribution in the illumination field decreases to 0.97 from 28.38 achieved by conventional cylindrical light pipe. At the same time, the light power transmission efficiency is about 37.6% and the maximum transmission efficiency is about 44.58%. The uniformity can be further improved by increasing the number of reflections. When the inner diameter and tilted angle of the light pipe are unchanged, the length of the light pipe increases to 1m, the non-uniformity of intensity distribution at the illumination field further decreases to 0.90, and the light power transmission efficiency is about 22.35%. The results show that the newly designed light pipe structure can meet the application requirements of decoherence and improve the uniformity of illumination field at EUV wavelength range, and it has great application prospects in EUV lithography and other imaging applications.
      通信作者: 李慧, lihui@ime.ac.cn ; 吴晓斌, wuxiaobin@ime.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 62071464)和中国科学院前瞻战略科技先导项目(A类先导项目)资助的课题.
      Corresponding author: Li Hui, lihui@ime.ac.cn ; Wu Xiao-Bin, wuxiaobin@ime.ac.cn
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  • 图 1  新型匀光管的结构模型

    Fig. 1.  Structural model of the newly designed light pipe.

    图 2  光线在匀光管内的传输轨迹示意图 (a) 常规圆柱型水平匀光管; (b)带有倾斜单元的匀光管

    Fig. 2.  Schematic diagram of ray transmission in the light pipe: (a) Conventional cylindrical light pipe; (b) light pipe with tilted elements.

    图 3  通过两个具有高空间相干性的高斯光源建立干涉场 (a) 示意图; (b)软件模拟仿真的光场分布

    Fig. 3.  Two Gaussian sources with high spatial coherence are used to obtain the interference field: (a) Schematic diagram; (b) optical field distribution simulated by software.

    图 4  四种不同匀光管结构 (a) 常规圆柱型匀光管(结构一); (b) 单倾斜单元匀光管(结构二); (c) 具有在一个平面内一对呈对称分布的倾斜单元的匀光管(结构三); (d) 具有在两正交平面内分别具有一对呈对称分布的倾斜单元的新型匀光管(结构四)

    Fig. 4.  Four light pipes with different structures: (a) Conventional cylindrical light pipe (first structure); (b) light pipe with single tilted element (second structure); (c) light pipe with a pair of tilted elements are symmetrically distributed in the y-z plane (third structure); (d) newly designed light pipe with a two pairs of tilted elements are symmetrically distributed in the y-z plane and x-z plane (fourth structure).

    图 5  不同L值时4种匀光管出口处相位分布 (a) 结构一; (b) 结构二; (c) 结构三; (d) 结构四, 新型匀光管

    Fig. 5.  Phase distribution at the outlet of four light pipes when different L values: (a) First structure; (b) second structure; (c) third structure; (d) newly designed light pipe (fourth structure).

    图 6  匀光管内光路传输示意图 (a) 高斯光束振幅分布特征; (b) 光线经过新型匀光管的掠入射角变化

    Fig. 6.  Schematic diagram of light transmission in the light pipe: (a) Gaussian beam amplitude distribution; (b) variation of the grazing incidence angle of ray in the newly designed light pipe.

    图 7  具有不同长度的4种匀光管在出口处的光场分布 (a)结构一; (b) 结构二; (c) 结构三; (d) 新型匀光管(结构四)

    Fig. 7.  Optical field distribution at the outlet of four light pipes with different length: (a) First structure; (b) second structure; (c) third structure; (d) newly designed light pipe (fourth structure)

    图 8  反射效率随匀光管长度的变化曲线

    Fig. 8.  Reflection efficiency curve with the different length of the light pipe.

    图 9  分别改变L, Dα时匀光管出口光场分布

    Fig. 9.  Optical field distribution at the outlet of light pipe when L, D and α are variables.

    图 10  分别改变L, Dα时匀光管的反射效率

    Fig. 10.  Reflection efficiency of light pipe when L, D and α are variables.

    表 1  模拟参数

    Table 1.  Simulation parameters.

    模拟参数 参数值 模拟参数 参数值
    光源波长/nm 13.5 光源特征 高斯光源
    光源数量/个 2 每个光源功率/W 1
    每个光源分析光线数/条 1 × 106 光源发散角 2θ/mrad 20
    匀光管总长度 L/mm 200—1000 匀光管内径 D/mm 1
    匀光管倾斜单元倾斜角度 α/mrad 10 探测器尺寸/mm 1 × 1
    探测器像素数 800 × 800
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-07
  • 修回日期:  2024-03-29
  • 上网日期:  2024-04-07
  • 刊出日期:  2024-06-05

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