一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法
2023-06-07 02:42:31 2
一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法
【專利摘要】本發明公開一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其包括：1、提供一種對稱式雙遠心投影光學系統，所述投影光學系統沿其光軸方向包括前組、孔徑光闌和後組，前組包括第一至第三鏡組，第一鏡組具有負光焦度，第二、第三鏡組具有正光焦度，後組包括第四至第六鏡組，第四、第五鏡組具有正光焦度，第六鏡組具有負光焦度；前組和後組關於孔徑光闌對稱，並滿足一定的關係式；2、同時移動第一、第六兩個鏡組中的透鏡位移量，來調節光學系統的投影倍率。採用本發明的倍率調節方法，使用性能優良的光學材料時也能有效地校正各項像差，擴大像方視場尺寸，提高成像解析度；而且鏡片口徑小，不包含非球面鏡片，大幅度降低了加工，檢測和裝校的難度和成本。
【專利說明】一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種微細加工用光刻設備的光學系統的倍率調節方法，尤其涉及一種 對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，所述對稱式雙遠心投影光學系統主要應用於 微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)，半導體、太陽能電池、液晶、印刷 電路板等光刻系統以及照相製版的投影光學系統。
【背景技術】
[0002] 隨著投影光刻技術的發展，投影光學系統的性能逐步提高，投影光學系統已經可 以適用於電路製造等多種領域。投影光刻技術也可以用於更大面積，較高產率的半導體、太 陽能電池、液晶、印刷電路板等【技術領域】。
[0003] 然而在現有技術中，如美國專利US6,879, 383 (公告日：2005年4月12日），採用 折射反射結構，整體尺寸大，對光學玻璃材料要求十分嚴格，尤其是大口徑的凹面反射鏡的 加工，檢測技術要求非常嚴格。在視場大小，工作距離，裝校要求，製造成本等方面不如全折 射系統具有優勢。
[0004] 中國專利CN98113037. 2(公告日：2003年7月23日）是一種像方遠心的雙高斯 光學系統，由於所述專利採用2個膠合面，在高產率的投影光刻設備中，透鏡粘合劑會產生 很大的變形甚至變性，導致光學成像性能降低，投影鏡頭的使用壽命縮短，不符合光刻技術 要求。
[0005] 在很多基板的實際生產過程中，由不同的設備生產製造的基板，其圖形尺寸和倍 率會有細微差異，同時在各種物理和化學加工處理過程中，基板會有細微的膨脹或收縮，也 會導致基板圖形尺寸的變化，而且不同的基板的圖形尺寸變化也不盡相同。所以在很多基 板的生產製造過程中，尤其是多層基板需要層間定位過程中，為了提高定位精度和布線密 度，需要根據實際基板的圖形尺寸或倍率變化，修正或調節投影光學系統的投影倍率。
[0006] 有鑑於此，提供一種使用性能優良的光學材料，既經濟又具有良好的光學特性和 較大視場尺寸，可以修正或調節投影光學系統的投影倍率，並且提高投影光學系統的工作 距離，為工作檯和掩膜臺提供較大的設計空間的光學系統，是業界的重要技術課題。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種對稱式雙遠心投影光學系統的 倍率調節方法，不僅能有效地校正各項像差，擴大像方視場尺寸，提高成像解析度；而且鏡 片口徑小，不包含非球面鏡片，大幅度降低了加工，檢測和裝校的難度和成本，同時可以在 雙遠心光路和良好的光學成像解析度的條件下，能夠方便有效地修正或調節投影倍率的光 學系統。
[0008] 本發明是這樣實現的，一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其包括 以下步驟：
[0009] 步驟一、提供一種對稱式雙遠心投影光學系統，所述投影光學系統用於將物平面 內的圖形成像到像平面內，所述投影光學系統沿其光軸方向依次包括前組、孔徑光闌和後 組，其特徵在於：所述前組和所述後組關於所述孔徑光闌對稱，所述前組沿光軸方向依次包 括第一鏡組、第二鏡組和第三鏡組，所述第一鏡組具有負光焦度，所述第二鏡組和所述第三 鏡組具有正光焦度；所述後組沿光軸方向依次包括第四鏡組、第五鏡組和第六鏡組，所述第 四鏡組和所述第五鏡組具有正光焦度，所述第六鏡組具有負光焦度；
[0010] 所述第二鏡組最靠近像平面的透鏡曲面為朝向像平面的凹面，滿足：〇.6〈r4/ Hy〈8,其中，r4為所述第二鏡組最靠近像平面的透鏡曲面的曲率半徑，Hy為物平面視場；所 述第二鏡組還滿足：vd = (nd - 1) / (nF - nC)，nd > 1. 50且vd < 54的正透鏡最少有一 個，其中，vd為色散係數、體現光學材料的色散程度的常數，nF為波長486nm的F線折射率， nd為波長587nm的d線折射率，nC為波長656nm的C線折射率；
[0011] 所述第三鏡組至少含有一個如下空氣間隔滿足：| (r5-r6V(r5+r6) |〈0. 4， 3〈| (r5+r6) |/Hy〈25,其中，空氣間隔的物平面側和像平面側的曲率半徑分別為r5、r6 ;所 述第三鏡組還滿足：nd 65的正透鏡最少有一個，nd > 1. 50且vd < 55的 負透鏡最少有一個；所述第三鏡組還至少含有一個正透鏡滿足dn/dt < 0,其中η為折射 率，t為溫度，dn/dt為光學材料的折射率隨溫度變化的折射率溫度係數；
[0012] 步驟二、同時移動第一鏡組和第六鏡組這兩個鏡組中透鏡位移量，來調節光學系 統的投影倍率。
[0013] 作為上述方案的進一步改進，所述第二鏡組至少含有一個如下空氣間隔滿足： (r2+r3V(r2-r3) |〈0. 7,3〈〇*312)/辦〈25，其中，空氣間隔的物平面側和像平面側的曲率 半徑分別為r2，r3。
[0014] 作為上述方案的進一步改進，所述第一鏡組最靠近物平面的透鏡曲面為朝向物平 面的凹面，曲率半徑為rl，滿足：1. 8〈-rl/Hy〈26, nd 58。
[0015] 作為上述方案的進一步改進，所述投影光學系統滿足：0. l〈_fl/L〈2,0. 05〈f2/ L〈0. 8 ;其中，Π為所述第一鏡組的組合焦距；f2為所述第二鏡組的組合焦距；L為物平面 側到像平面側的距離。
[0016] 作為上述方案的進一步改進，所述第二鏡組（G2)沿光軸方向依次包括第三透鏡 (L3)、第四透鏡（L4)、第五透鏡（L5)、第六透鏡（L6)，其中，第三透鏡（L3)、第四透鏡（L4)、 第五透鏡（L5)均具有正光焦度，第六透鏡（L6)具有負光焦度。
[0017] 作為上述方案的進一步改進，所述第三鏡組（G3)沿光軸方向依次包括第七透鏡 (L7)、第八透鏡（L8)、第九透鏡（L9)、第十透鏡（L10)，其中，第七透鏡（L7)、第九透鏡（L9) 均具有負光焦度，第八透鏡（L8)、第十透鏡（L10)均具有正光焦度。
[0018] 作為上述方案的進一步改進，所述第一鏡組（G1)沿光軸方向依次包括第一透鏡 (L1)、第二透鏡（L2)，其中，第一透鏡（L1)具有負光焦度，第二透鏡（L2)均具有正光焦度， 在第一鏡組（G1)中移動第一鏡組（G1)，在與第一鏡組（G1)對稱的第六鏡組中移動與第二 透鏡（L2)對稱的透鏡。
[0019] 作為上述方案的進一步改進，所述第三透鏡（L3)具有一個面向所述像平面的凸 面、第四透鏡（L4)與第五透鏡（L5)均具有一個面向所述物平面的凸面。
[0020] 作為上述方案的進一步改進，所述第七透鏡（L7)為雙凹透鏡、第八透鏡（L8)與第 十透鏡（L10)均為雙凸透鏡，第九透鏡（L9)具有一個面向所述像平面的凹面。作為上述方 案的進一步改進，所述投影光學系統中的透鏡總數量大於等於10,且小於等於36。
[0021] 本發明的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法不僅能有效地校正各項像 差，擴大像方視場尺寸，提高成像解析度，具有良好的熱穩定性；可以修正或調節投影光學 系統的投影倍率；而且使用折射率相差很小而且折射率較低（1. 48 < nd < 1. 60)的光學玻 璃材料也能夠良好地校正光學系統的各項像差，只有這樣的光學材料一般具有良好的i線 透光率，而且容易加工，成本低；鏡片口徑小，不包含非球面鏡片，大幅度降低了加工，檢測 和裝校的難度和成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為應用本發明較佳實施方式提供的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節 方法的投影光學系統的構示意圖。
[0023] 圖2為圖1中投影光學系統在投影倍率為中間值時的傳遞函數MTF示意圖。
[0024] 圖3為圖1中投影光學系統在投影倍率為放大時的傳遞函數MTF示意圖。
[0025] 圖4為圖1中投影光學系統在投影倍率為縮小時的傳遞函數MTF示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不 用於限定本發明。
[0027] 請參閱圖1，其為應用本發明較佳實施方式提供的對稱式雙遠心投影光學系統的 倍率調節方法的投影光學系統的構示意圖。
[0028] 所述對稱式雙遠心投影光學系統用於將物平面平PI (Object)內的圖形成像到像 平面P2(image)內。所述對稱式雙遠心投影光學系統沿其光軸方向，即從物平面P1到像平 面P2依次包括前組、孔徑光闌AS和後組。所述對稱式雙遠心投影光學系統也可以是對稱 式的近似雙遠心投影光學系統，只要近似雙遠心即可。
[0029] 所述前組和所述後組關於所述孔徑光闌AS對稱，所述前組沿光軸方向依次包括 第一鏡組G1、第二鏡組G2和第三鏡組G3,其中，所述第一鏡組G1具有負光焦度，所述第二 鏡組G2和所述第三鏡組G3具有正光焦度。所述後組沿光軸方向依次包括第四鏡組G4、第 五鏡組G5和第六鏡組G6,所述第四鏡組G4和所述第五鏡組G5具有正光焦度，所述第六鏡 組G6具有負光焦度。
[0030] 由於所述前組和所述後組關於所述孔徑光闌AS對稱，因此，在接下去的介紹中， 詳細介紹所述前組的具體結構。
[0031] 所述投影光學系統滿足：0. l〈_f 1/L〈2 (關係式7)，0. 05〈f2/L〈0. 8 (關係式8);其 中，Π為所述第一鏡組G1的組合焦距；f2為所述第二鏡組G2的組合焦距；L為物平面P1 側到像平面P2側的距離。
[0032] 所述第一鏡組G1最靠近物平面P1的透鏡曲面為朝向物平面P1的凹面，曲率半徑 為rl，滿足：L8〈-rl/Hy〈26(關係式6)，nd 58,其中，Hy為物平面P1視場， nd為波長587nm的d線折射率，vd為色散係數、體現光學材料的色散程度的常數。
[0033] 在本實施方式中，所述第一鏡組G1沿光軸方向依次包括第一透鏡L1、第二透鏡 L2,其中，第一透鏡L1具有負光焦度，第二透鏡L2均具有正光焦度。第一透鏡L1為雙凹透 鏡，第二透鏡L2具有一個面向像平面P2的凸面和一個面向物平面P1的凹面。
[0034] 所述第二鏡組G2最靠近像平面P2的透鏡曲面為朝向像平面P2的凹面，滿足： 0. 6〈r4/Hy〈8 (關係式1)，其中，r4為所述第二鏡組G2最靠近像平面P2的透鏡曲面的曲 率半徑，Hy如上所述為物平面P1視場。所述第二鏡組G2還滿足：vd = (nd - 1) AnF - nC)，nd > 1. 50且vd < 54的正透鏡最少有一個，其中，vd如上所述為色散係數、體現光學 材料的色散程度的常數，nF為波長486nm的F線折射率，nd如上所述為波長587nm的d線 折射率，nC為波長656nm的C線折射率。所述第二鏡組G2至少含有一個如下空氣間隔滿 足 ：| (r2+r3) Ar2-r3) |〈0. 7 (關係式4)，3〈 (r3-r2) /Hy〈25 (關係式5)，其中，空氣間隔的物 平面P1側和像平面P2側的曲率半徑分別為r2, r3。
[0035] 在本實施方式中，所述第二鏡組G2沿光軸方向依次包括第三透鏡L3、第四透鏡 L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6,其中，第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5均具有正光焦 度，第六透鏡L6具有負光焦度。所述第三透鏡L3具有一個面向像平面P2的凸面、第四透 鏡L4與第五透鏡L5均具有一個面向物平面P1的凸面。
[0036] 所述第三鏡組G3至少含有一個如下空氣間隔滿足：| (r5-r6V(r5+r6) |〈0. 4(關 系式2)，3〈 | (r5+r6) | /Hy〈25 (關係式3)，其中，空氣間隔的物平面P1側和像平面P2側的曲 率半徑分別為r5、r6 ;所述第三鏡組G3還滿足：nd 65的正透鏡最少有一 個，nd > 1. 50且vd < 55的負透鏡最少有一個。所述第三鏡組G3還至少含有一個正透鏡 滿足dn/dt < 0,其中η為折射率，t為溫度，dn/dt為光學材料的折射率隨溫度變化的折射 率溫度係數
[0037] 在本實施方式中，所述第三鏡組G3沿光軸方向依次包括第七透鏡L7、第八透鏡 L8、第九透鏡L9、第十透鏡L10,其中，第七透鏡L7、第九透鏡L9均具有負光焦度,第八透 鏡L8、第十透鏡L10均具有正光焦度。所述第七透鏡L7為雙凹透鏡、第八透鏡L8與第十 透鏡L10均為雙凸透鏡，第九透鏡L9具有一個面向像平面P2的凹面。在本實施方式中， 關係式1 :0.6〈14/辦〈8，主要作用是使光學系統的像散以及球差得到有效地校正，有效地 降低珀茲伐（Petzval)和使得光學系統的像面彎曲得到良好校正；關係式2 :| (r5-r6)/ (r5+r6) |〈0.4,和關係式3 :3〈| (r5+r6) |/Hy〈25,主要作用是校正光學系統的初級和高級 球差，同時校正光學系統的軸向色差並有效地降低其二級光譜色差；關係式4 : | (r2+r3)/ (r2-r3) |〈0. 7,和關係式5 :3〈(r3-r2)/Hy〈25的主要作用是校正光學系統的初級和高級像 散；關係式6 :1. 8〈-rl/Hy〈26的主要作用是使光學系統能夠保持遠心光路，同時有助於減 少像面彎曲並使光學系統不會產生過大的球差，減輕整個光學系統校正球差的負擔；關係 式7 :0. l〈-fl/L〈2的主要作用也是使光學系統能夠保持遠心光路，同時有助於減少像面彎 曲；關係式8 :0. 05〈f2/L〈0. 8的主要作用是平衡光學系統的初級和高級像散並有助於降低 軸向色差的二級光譜色差。所述第三鏡組還至少含有一個正透鏡滿足折射率溫度係數dn/ dt 0特性不同。有正透鏡滿足dn/dt < 0時，與其 他一般的光學玻璃透鏡的折射率溫度係數的特性相反，互相抵消，所以可以提高光學系統 的熱穩定性，使光學系統在環境溫度變化時，其像面位置和成像質量保持穩定
[0038] 光學系統的前組和後組的每個透鏡組以孔徑光闌為對稱面，光學結構完全對稱， 垂直於光軸的像差：慧差，畸變，倍率色差會自動校正為零。
[0039] 總之，在本實施方式中，三組透鏡採用這樣的鏡片結構最終確保和實現了光學系 統的球面像差、彗差、像散、像場彎曲和畸變，軸向色像差和倍率色像差等各項像差都得到 良好校正。又可以降低鏡頭的加工，測試和裝校的難度和成本。
[0040] 所述投影光學系統中的透鏡總數量儘可能的大於等於10,且小於等於36。既可以 良好地校正初級和高級的球差，慧差，像散，場曲和畸變等各項像差，又可以降低了鏡頭的 加工，測試和裝校的難度和成本。使系統有效控制了製造成本並良好校正各項像差，取得最 佳性價比。
[0041] 本發明的投影光學系統和應用所述投影光學系統的光刻設備的光學結構特點， 決定了可以在使用折射率比較小的光學玻璃材料，又不使用既價格昂貴又不易加工螢石 (CaF2)的情況下，也可以良好校正光學系統的各項像差。同時使用折射率相差很小（1.48 < nd < 1. 60)光學玻璃材料也可以良好校正光學系統的各項像差。由於只有折射率比較 小（nd < 1. 60)的光學玻璃材料一般才具有較高的i線透光率，因此意味著不僅可以提高 光源利用效率，更可以大幅度提高光學系統的熱穩定性，十分適合光刻設備的實際需要。
[0042] 本發明實施例中的投影光學系統的設計參數如表1所示，工作波長為365nm，像方 半視場高度為51mm，由於是對稱結構，物方和像方的工作距離均為52. 389mm。為了光學加 工，光學檢驗的方便和降低成本，本發明的所有光學元件均為球面，沒有任何非球面元件。
[0043] 表 1
[0044]
【權利要求】
1. 一種對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其包括以下步驟： 步驟一、提供一種對稱式雙遠心投影光學系統，所述投影光學系統用於將物平面內的 圖形成像到像平面內，所述投影光學系統沿其光軸方向依次包括前組、孔徑光闌和後組，其 特徵在於：所述前組和所述後組關於所述孔徑光闌對稱，所述前組沿光軸方向依次包括第 一鏡組、第二鏡組和第三鏡組，所述第一鏡組具有負光焦度，所述第二鏡組和所述第三鏡組 具有正光焦度；所述後組沿光軸方向依次包括第四鏡組、第五鏡組和第六鏡組，所述第四鏡 組和所述第五鏡組具有正光焦度，所述第六鏡組具有負光焦度； 所述第二鏡組最靠近像平面的透鏡曲面為朝向像平面的凹面，滿足：〇. 6〈r4/Hy〈8,其 中，r4為所述第二鏡組最靠近像平面的透鏡曲面的曲率半徑，Hy為物平面視場；所述第二 鏡組還滿足：vd= (nd- lV(nF - nC)，nd> 1.50且vd<54的正透鏡最少有一個，其中， vd為色散係數、體現光學材料的色散程度的常數，nF為波長486nm的F線折射率，nd為波 長587nm的d線折射率，nC為波長656nm的C線折射率； 所述第三鏡組至少含有一個如下空氣間隔滿足：I (r5-r6) Ar5+r6) |〈0. 4， 3〈| (r5+r6) |/Hy〈25,其中，空氣間隔的物平面側和像平面側的曲率半徑分別為r5、r6 ;所 述第三鏡組還滿足：nd 65的正透鏡最少有一個，nd > 1. 50且vd < 55的 負透鏡最少有一個；所述第三鏡組還至少含有一個正透鏡滿足dn/dt < 0,其中η為折射 率，t為溫度，dn/dt為光學材料的折射率隨溫度變化的折射率溫度係數； 步驟二、同時移動第一鏡組和第六鏡組這兩個鏡組中透鏡位移量，來調節光學系統的 投影倍率。
2. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在 於：所述第二鏡組至少含有一個如下空氣間隔滿足：I (r2+r3V(r2-r3) |〈0. 7,3〈(r3-r2)/ Hy〈25,其中，空氣間隔的物平面側和像平面側的曲率半徑分別為r2, r3。
3. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在 於：所述第一鏡組最靠近物平面的透鏡曲面為朝向物平面的凹面，曲率半徑為rl，滿足： 1. 8〈-rl/Hy〈26, nd 58。
4. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 所述投影光學系統滿足：〇. l〈_fl/L〈2,0. 05〈f2/L〈0. 8 ;其中，Π為所述第一鏡組的組合焦 距；f2為所述第二鏡組的組合焦距；L為物平面側到像平面側的距離。
5. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 所述第二鏡組（G2)沿光軸方向依次包括第三透鏡（L3)、第四透鏡（L4)、第五透鏡（L5)、第 六透鏡（L6)，其中，第三透鏡（L3)、第四透鏡（L4)、第五透鏡（L5)均具有正光焦度，第六透 鏡（L6)具有負光焦度。
6. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 所述第三鏡組（G3)沿光軸方向依次包括第七透鏡（L7)、第八透鏡（L8)、第九透鏡（L9)、第 十透鏡（L10)，其中，第七透鏡（L7)、第九透鏡（L9)均具有負光焦度，第八透鏡（L8)、第十透 鏡（L10)均具有正光焦度。
7. 根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 所述第一鏡組（G1)沿光軸方向依次包括第一透鏡（L1)、第二透鏡（L2)，其中，第一透鏡 (L1)具有負光焦度，第二透鏡（L2)均具有正光焦度，在第一鏡組（G1)中移動第一鏡組 (G1)，在與第一鏡組（G1)對稱的第六鏡組中移動與第二透鏡（L2)對稱的透鏡。
8. 根據權利要求5所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 第三透鏡（L3)具有一個面向所述像平面的凸面、第四透鏡（L4)與第五透鏡（L5)均具有一 個面向所述物平面的凸面。
9. 根據權利要求6所述的對稱式雙遠心投影光學系統的倍率調節方法，其特徵在於： 第七透鏡（L7)為雙凹透鏡、第八透鏡（L8)與第十透鏡（L10)均為雙凸透鏡，第九透鏡（L9) 具有一個面向所述像平面的凹面。10、根據權利要求1所述的對稱式雙遠心投影光學系統 的倍率調節方法，其特徵在於：所述投影光學系統中的透鏡總數量大於等於10,且小於等 於36。
【文檔編號】G02B27/00GK104111534SQ201410386723
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】劉鵬, 徐曉斌, 張宏, 王恆海 申請人:張家港鵬博光電科技有限公司, 張家港中賀自動化科技有限公司