摘要：均勻照明是投影***中實現光刻線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，能夠在實現矩形照明光斑的同時獲得極高的遠場分布均勻性。基于微透鏡陣列現有的加工工藝，設計出二維方向分開 的柱面微透鏡陣列，并通過優化設計，克服了微透鏡之間的接縫在遠場光場處產生的中心亮線。仿真分析表明，所設計的微透鏡陣列的遠場分布不均勻性達到0.85％。

1 引言

在投影***照明系統中，均勻照明是保證加工出的線條線寬均勻一致的一項重要技術。通常，用于***照明系統的勻光元件有積分棒、衍射光學元件和微透鏡陣列。積分棒勻光的缺點是，限制了照明最大孔徑角，且由于光束在積分棒內多次反射，降低了能量利用率；衍射光學元件由于衍射效應嚴重降低了能量利用率；微透鏡陣列出射孔徑角較大，可以實現大面積照明，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。

微透鏡陣列進行勻光的原理是對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能實現越來越高的照明均勻性。因此，需要對微透鏡陣列的精細結構進行研究，使設計的微透鏡陣列符合現有的加工水平。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單、成本低廉、工藝參數易于控制和環境污染小等優點。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，采用光刻和反應離子束刻蝕兩種技術相結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，設計了柱面鏡結構的微透鏡陣列，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***照明系統中，光源通常為高能量的激光光束，球面型微透鏡陣列會將光會聚為一個光功率密度很大的焦斑，當會聚焦斑位于或靠近它后面的光學元件時，將導致光學元件由于焦斑照射處局部光強過大而損壞。而柱面型微透鏡陣列會聚光后得到一條焦線，能量密度相對較低，不容易損壞其他光學元件。而且，柱面型微透鏡陣列可以單獨實現一個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現光刻照明均勻化的一種結構。

２ 微柱面鏡陣列的設計方案與仿真分析

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現勻光的功能。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，光場分布的均勻程度取決于子光束的個數或者微透鏡的個數。圖1中僅以一維方向為例，聚光鏡位于微透鏡陣列的后面，它把經微透鏡陣列分割的光束聚焦，形成所需的均勻光場分布。

圖1. 微透鏡陣列勻光原理

在***照明系統中，衡量微透鏡陣列勻光特性的一個指標是不均勻性。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，每個子光束都會會聚在后表面上，后表面上的微透鏡陣列起到場鏡的作用，以形成遠心光路。只有當微透鏡陣列的后表面位于聚光鏡的物方焦平面時才能形成像方遠心光路。

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 方向的焦點位置不一樣，所以聚光鏡的前焦面和微柱面鏡的后焦面無法嚴格重合，會對均勻性以及遠心度產生一定的影響。但為了使兩維方向的遠心光路均能滿足要求，兩塊光學基底間的距離應足夠小。聚光鏡的物方焦面位于兩塊光學基底后表面的中間平面，由于光學基底的厚度在毫米級，而聚光鏡的焦距通常為光學基底厚度的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 結論

基于微透鏡陣列勻光原理的優越性以及現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獲得極高的遠場分布均勻性；而且采用二維方向分開的微柱面鏡陣列能分別獨立地實現 犡 方向和犢 方向的光束均勻化功能。通過對微柱面鏡陣列接縫的模擬仿真，設計出了平滑過渡的凹形接縫，它能夠消除平臺型接縫導致的中央十字亮線，得到了很高的光強分布均勻性。通過對凹形接縫進行優化設計，保證接縫處的平滑過渡，減小了因散射引起的光強損耗。仿真結果表明，遠場分布不均勻性為0.85%。

審核編輯 ：李倩