摘要：均勻照明是投影***中實(shí)現(xiàn)光刻線(xiàn)條高度均一性的重要條件。采用微透鏡陣列作為照明勻光器件，能夠在實(shí)現(xiàn)矩形照明光斑的同時(shí)獲得極高的遠(yuǎn)場(chǎng)分布均勻性。基于微透鏡陣列現(xiàn)有的加工工藝，設(shè)計(jì)出二維方向分開(kāi) 的柱面微透鏡陣列，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了微透鏡之間的接縫在遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)處產(chǎn)生的中心亮線(xiàn)。仿真分析表明，所設(shè)計(jì)的微透鏡陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)分布不均勻性達(dá)到0.85％。

1 引言

在投影***照明系統(tǒng)中，均勻照明是保證加工出的線(xiàn)條線(xiàn)寬均勻一致的一項(xiàng)重要技術(shù)。通常，用于***照明系統(tǒng)的勻光元件有積分棒、衍射光學(xué)元件和微透鏡陣列。積分棒勻光的缺點(diǎn)是，限制了照明最大孔徑角，且由于光束在積分棒內(nèi)多次反射，降低了能量利用率；衍射光學(xué)元件由于衍射效應(yīng)嚴(yán)重降低了能量利用率；微透鏡陣列出射孔徑角較大，可以實(shí)現(xiàn)大面積照明，其勻光基于折射的原理，能避免高階衍射造成較大的能量損耗，而且它還能保持光的偏振特性。

微透鏡陣列進(jìn)行勻光的原理是對(duì)入射光束先微分再積分，即先將入射光束分割成許多子光束，子光束被后面的光學(xué)元件疊加到其焦面上，形成均勻的光斑。光刻分辨率的不斷提高要求照明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)越來(lái)越高的照明均勻性。因此，需要對(duì)微透鏡陣列的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使設(shè)計(jì)的微透鏡陣列符合現(xiàn)有的加工水平。目前，制作微透鏡陣列的方法主要有光刻熱熔膠法和離子束刻蝕法等。光刻熱熔膠法和離子束刻蝕法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、工藝參數(shù)易于控制和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。有研究小組采用微透鏡回流工藝制作出大尺寸的微透鏡陣列。借助于集成電路制造技術(shù)，采用光刻和反應(yīng)離子束刻蝕兩種技術(shù)相結(jié)合的方法可將許多的折射微透鏡陣列制作在同一塊基片表面。

本文參考上述制作工藝，設(shè)計(jì)了柱面鏡結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列，即微柱面鏡陣列，用于***照明均勻化。柱面型微透鏡陣列具有很高的填充因子，接近100％。在***照明系統(tǒng)中，光源通常為高能量的激光光束，球面型微透鏡陣列會(huì)將光會(huì)聚為一個(gè)光功率密度很大的焦斑，當(dāng)會(huì)聚焦斑位于或靠近它后面的光學(xué)元件時(shí)，將導(dǎo)致光學(xué)元件由于焦斑照射處局部光強(qiáng)過(guò)大而損壞。而柱面型微透鏡陣列會(huì)聚光后得到一條焦線(xiàn)，能量密度相對(duì)較低，不容易損壞其他光學(xué)元件。而且，柱面型微透鏡陣列可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向上的光束均勻化。因此柱面型微透鏡陣列是更有利于實(shí)現(xiàn)光刻照明均勻化的一種結(jié)構(gòu)。

２ 微柱面鏡陣列的設(shè)計(jì)方案與仿真分析

２.1 微柱面鏡陣列勻光原理

微柱面鏡陣列和聚光鏡組合可以實(shí)現(xiàn)勻光的功能。微透鏡陣列勻光的原理如圖1所示，其中θ1是微透鏡陣列后表面的入射角，θ２是出射角，輸出光斑尺寸為犇，微柱面鏡厚度為犱。將光束分割再相互疊加，光場(chǎng)分布的均勻程度取決于子光束的個(gè)數(shù)或者微透鏡的個(gè)數(shù)。圖1中僅以一維方向?yàn)槔酃忡R位于微透鏡陣列的后面，它把經(jīng)微透鏡陣列分割的光束聚焦，形成所需的均勻光場(chǎng)分布。

圖1. 微透鏡陣列勻光原理

在***照明系統(tǒng)中，衡量微透鏡陣列勻光特性的一個(gè)指標(biāo)是不均勻性。不均勻性的定義為微透鏡陣列后表面位于微透鏡陣列前表面的像方焦面和聚光鏡物方前焦面，每個(gè)微透鏡前表面將入射的光束分割為許多尺寸相同的子光束，每個(gè)子光束都會(huì)會(huì)聚在后表面上，后表面上的微透鏡陣列起到場(chǎng)鏡的作用，以形成遠(yuǎn)心光路。只有當(dāng)微透鏡陣列的后表面位于聚光鏡的物方焦平面時(shí)才能形成像方遠(yuǎn)心光路。

微柱面鏡陣列勻光的原理與微透鏡陣列勻光的原理基本相同，如圖２所示分別為 犡 方向和犢 方向勻光原理。入射光束分別被 犡 方向和犢 方向的微柱面鏡陣列分割后，再由聚光鏡疊加到其像方焦面上。但是，微柱面鏡陣列勻光在 犡 和犢 方向的焦點(diǎn)位置不一樣，所以聚光鏡的前焦面和微柱面鏡的后焦面無(wú)法嚴(yán)格重合，會(huì)對(duì)均勻性以及遠(yuǎn)心度產(chǎn)生一定的影響。但為了使兩維方向的遠(yuǎn)心光路均能滿(mǎn)足要求，兩塊光學(xué)基底間的距離應(yīng)足夠小。聚光鏡的物方焦面位于兩塊光學(xué)基底后表面的中間平面，由于光學(xué)基底的厚度在毫米級(jí)，而聚光鏡的焦距通常為光學(xué)基底厚度的１００倍以上，因此基本上能夠保證最終的光路是像方遠(yuǎn)心光路。

圖2. 微柱面鏡陣列（ａ）X方向和（ｂ）Y方向的勻光原理

圖5. 微柱面鏡陣列與聚光鏡組合勻光光路圖

。..。.. 4 結(jié)論

基于微透鏡陣列勻光原理的優(yōu)越性以及現(xiàn)有的微透鏡陣列加工工藝，選擇微柱面鏡陣列作為勻光器件，可以在形成矩形照明光斑的同時(shí)獲得極高的遠(yuǎn)場(chǎng)分布均勻性；而且采用二維方向分開(kāi)的微柱面鏡陣列能分別獨(dú)立地實(shí)現(xiàn) 犡 方向和犢 方向的光束均勻化功能。通過(guò)對(duì)微柱面鏡陣列接縫的模擬仿真，設(shè)計(jì)出了平滑過(guò)渡的凹形接縫，它能夠消除平臺(tái)型接縫導(dǎo)致的中央十字亮線(xiàn)，得到了很高的光強(qiáng)分布均勻性。通過(guò)對(duì)凹形接縫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證接縫處的平滑過(guò)渡，減小了因散射引起的光強(qiáng)損耗。仿真結(jié)果表明，遠(yuǎn)場(chǎng)分布不均勻性為0.85%。

審核編輯 ：李倩