CN100353209C - 补偿空间色散的光学系统 - Google Patents

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Abstract

在一个用于补偿空间色散的光学系统，通过光轴(10)，有一种立方晶体结构材料构成的第一光学元件(11，17，19，26)，该第一光学元件与光轴(10)的取向有关，和由同种材料构成的第二光学元件(12，18，20，27)，该第二光学元件与光轴(10)第一取向相关的第二取向相关，其中第二取向相对于第一取向绕光轴(10)旋转一个角度，大大减少不必要的透过空间色散的延迟。至少第一光学元件(11，17，19，26)或者第二光学元件(12，18，20，27)，在光轴上有径向压力(σ，σ1，σ2)以补偿空间色散的预加应力。

Description

补偿空间色散的光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于补偿空间色散的光学系统，包括光轴、相对光轴具有第一取向的第一光学元件，和相对光轴具有第二取向的第二光学元件，其中第二取向相对第一取向绕光轴转动一角度。
背景技术
用于光学系统例如物镜、透镜、棱镜以及由几个这样的部分或元件构成的装置材料是光各向同性的，也就是说，透过的光束应该沿所有方向与其偏振无关地同样地向前传播。一个典型的标志是在同一材料中不同的快速传播，如在许多晶体上的双重折射。传统上通常的立方晶体确实没有双重折射。但是那些短波光是光各向异性。这显示出了空间色散的效果，和各自晶体的本质特征。在光学系统中由于所利用的物质如立方晶体而产生的空间色散，称为延迟，也就是指，波前分开运行，带来不必要的干涉效应。例如，用于微光刻技术的物镜的散射限制，其中不必要的干涉效应影响了成像的功能。在微光刻技术应用了短波光，例如光的波长λ＝157nm。在光学系统中，对短波辐射位于紫外线区域的材料提出了高的要求。不适当的材料遭到短波射线的损坏。基于这种原因，就用于微光刻技术的光学系统的材料而言，首选使用CaF2，这同样相对短波长，也就是说，高能量辐射，提供足够传输。根据J.H.Burnett，Z.H.Levine，E.Shirley“在氟化钙和氟化钡中的特性双折射”(《物理学评论》，B64，241102(R)，2001)，透过CaF2晶体的波长λ＝157nm的[110]-辐射，空间散射滞后大约平均为11.5nm/cm。用于微光刻技术的物镜由于晶界衍射限制需要滞后小于1nm/cm。由于这些原因是光学系统所期望的，限定空间散射的滞后小于1nm/cm，例如在光学系统中为了微光刻技术可以157nm-辐射可以使用如CaF2的物质。
由于光线在晶体中对不同的光传播方向，空间色散使得各光线分离产生光程差。例如当光线沿着传播方向在第一光学元件，沿着反转轴这称为高速传播的轴传播时，和在第二光学元件沿着所谓的低速轴这称为减速传播时，可以补偿空间色散。如此使得由于空间色散带来的滞后得以补偿，但是这种补偿仍然是相当不充分。由于空间色散而导致的残留滞后仍然是不利的，用于光学系统使得图像特征恶化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提供一种具有由立方晶体结构材料构成的元件的光学系统，充分补偿空间色散，这减弱了由于空间色散导致的光学的滞后。
在上述类型的光学系统中，对第一组光学元件和/或第二组光学元件相对光轴的径向预加压力，以补偿空间色散。这种压力是通过在光学元件与光轴垂直的周围均匀分布的力产生。
通过这种压力产生应力双折射，空间色散重叠。这样，改变快轴和慢轴的位置以及沿着其轴产生的传描速度差，这样调节光学元件引起的滞后，使它逐渐随着另一个光学元件引起的滞后而增加。压力所必须的大小要么通过试验确定，要么可以经运算完成。此外还可以例如进行所谓的光线追迹。对此可以例如传统的光线追迹程序，也就是如光学研究学报(East Foothill大街3280号，帕萨迪纳，加利福尼亚91197，美国)中所使用的，其中需要进行应力光学校正。
在本发明的一个最优实施例中，其压力基本上是均匀且各向同性。通过将压力施加大在光学元件上例如均匀、径向且对称向内地施加在透镜的外周。压力在0.5至50MPa，最好是为0.6至1.6MPa。
为了系统更容易控制和改善可计算性，对第一组光学元件和/或第二组光学元件在与光轴成直角地也就是说垂直地施加压力使其处于均匀的应力状态。其均匀应力状态通过均匀施加到外周边的压力可简单重复地产生。
其压力通常通过一种压力装置实现。当压力装置是一种完全合适的装置时，其装置可将压力均匀施加在光学元件上，尤其是在光轴的径向取向上。通常这种装置是一种例如夹紧环，静压机，夹紧其件的环如套管，或者其他所使用的如均衡压力机的通常的装置。
尤其是容易通过夹紧环产生径向压力。使用这种夹紧环可以如使压力向内施加在透镜的外周表面上，夹紧压力各自作用在光轴取向上。还有一个优点是，可以设置调节装置以调整施加的压力。借助于这种调节装置可以调整所希望的值。尤其是在通过试验确定的必需的压力使得把压力调整剩余滞后的最小值。
在本发明的另一结构中，第一光学元件被预加第一压力，而第二光学元件被预加与其不同的第二压力。通过施加不同的压力偏置可以使得两个光学元件滞后，彼此极其有效地得到补偿。
优选的是由立方晶体如CaF2或BaF2构成的材料。这些晶体具备特别是短波射线所最期望的特征。对短波射线而言具备一种好的传输特性，如有MgF2。
在本发明的装置中，第一组光学和第二钮光学元件包括具有第一轴和第二轴的第一取向和第二取向，两者可以是相同的也可以是不同的，且彼此可以平行或也可以彼此形成一个角度。其进一步有利的是，把第一取向所谓的快轴分配给第二取向所谓的慢轴和反之。在这些情形中，通过波前在第一光学元件中沿着快轴快速传播，在第二光学元件中沿着分配给的慢轴慢速传播，来补偿和/或反向。
本发明的一个优选实施例中，其光学元件根据其旋转对称情况相对光轴彼此旋转。其中，在相应的取向下，旋转角最好是构成光学元件的材料的旋转对称角的一半，或是它的奇数倍。当这种材料具有三重对称时，其对称旋转角为120°，也就是说，元件应以大约其角度的一半即60°旋转，或彼此旋转3，5，7倍。在一种材料相对于光轴n重旋转对称时，其对称角为360°/n；相应地元件应以约为0.5*360°/n旋转或彼此旋转奇数倍。
具有本发明特征的光学系统的有益结构是，在相对于光轴的第一取向该材料具有四重旋转对称时，该角为45°，135°，225°，或315°。下面举例来说，CaF2晶体在第一取向和第二取向的[100]-轴，[010]-轴，[001]-轴与光轴平行，CaF2晶体的(100)-面，(010)-面，(001)-面与光轴成直角分布。旋转90°或它的一个倍数，相对于一个相似的晶体布置的快轴和慢轴。
在一个具有材料三重对称的晶体中，第一取向应该为绕所述光轴60°，180°，或300°。下面以CaF2晶体举例来说，如果第一取向和第二取向的[111]-轴，[-1-11]-轴，[1-11]-轴与光轴平行，那么晶体的(111)-面，(-1-11)-面，(1-11)-面与光轴成直角分布。旋转120°或它的一个倍数，导致一个相同的晶体布置，从而导致相同的快轴和慢轴。
结合附图继续探讨本发明，第一光学元件和第二光学元件包括的面为平面/平面或凸面/凹面或凹面/凸面，并彼此相对。而且还有另一种结构，其中的面为平面/凹面或平面/凸面。如果相互布置的面为平面时，可以例如将二个光学元件设计成一个凸透镜-凸透镜的二半。凸/凹或凹/凸透镜设计构成昂贵的透镜组装置。二个光学元件可以相互彼此结合或彼此分开一定的空隙。
更适宜由第一组光学元件和第二组光学元件构成透镜端组。在这种情况下可以通过相关的端组装置补偿整个系统的滞后。端组只有在一个位置起到这种作用，在其他位置则不行。
也可以，由第一光学元件和第二光学元件构成一个平的校正元件。在这种情况下，应用传统光学，第一光学元件和第二光学元件作为校正元件设置在其后。该装置优选的是第一光学元件和第二光学元件为厚度相同的平面层或盘。通过一个校正元件易于组装和易于错开应力状态。
附图说明
下面将根据附图结合实施例详细阐述本发明。其中：
图1是一个解释晶轴和晶面的立方晶体的示意图，
图2是一个根据具有本发明特征的光学系统的第一实施例纵剖视图，
图3是一个对与图1中(111)-面相同位置的阐述的示意图，
图4是一个根据具有本发明特征的光学系统的第二实施例示意图，
图5是一个解释图1中[-1，-1，2]-轴的示意图，
图6是一个根据具有本发明特征的光学系统的第三实施例示意图，和
图7是一个具有透镜和校正板的光学系统的更进一步的实施例的示意图。
具体实施方式
图1通过一个立方晶体示出了一个用以解释晶轴和晶面的晶体的示意图。下面定义传统常规的晶轴，例如，在1976年慕尼黑奥尔登堡出版社出版的基特尔所著的《固体物理学导论》第4版。在图中清楚的给出了方向[100]，[010]和[001]。此外，图中示出了(100)-面，其平面法向的方向矢量[100]与所述平面垂直。另外，在图中还示出了方向矢量[011]，与取向[010]和[001]呈45°分布。图2示出了一个具有光轴10的光学系统作为本发明第一实施例。图中所示的光学系统包括光学元件11和光学元件12。在图示的实施例中，光学元件11和光学元件12由CaF2晶体构成，它们的[100]-面分别与光轴10成直角，即，它们的轴[100]分别与光轴10平行。光学元件11包括平面13和曲面14并设计成凸/平透镜。同样，光学元件12包括平面15和曲面16也设计成为凸/平透镜。平面13，15是互相相对设置且彼此接触，不会保留中间空间。在所示实施例中，它们也可以相互粘结。平面13，15与光轴10成直角设置。在图2所示的纵剖视图中，以这种方式，光学元件11和光学元件12形成一个双凸透镜。图2中的光程从左到右，反之亦然。光学元件11和光学元件12的直径例如分别为100mm。光学元件11和光学元件22的厚度例如分别为15mm，且曲面14，16的曲率半径例如分别为500mm。
同样，从图2还可看出，光学元件11的[010]-晶轴与光轴10在图中沿纸面向上地垂直设置。光学元件12的晶体取向相对于光学元件的晶轴绕光轴10转动45°。显而易见，光学元件12沿纸面向上的[011]-晶轴与上述的光轴10也垂直地设置。光学元件11和光学元件12共同形成一个旋转对称体的光学系统。在光学元件11和光学元件12的外表面存有压力σ。压力σ由在图中未示出的透镜圆周的夹紧环而产生。以这种方式，压力σ均匀地分布在外圆周。因此，光学元件11和光学元件12处于径向压力的各向同性和均匀状态。
例如，如在图2所示的光学系统，波长为157nm、直径D＝80mm、孔径角为2θmax＝106°的光束沿着光轴10从左边穿过光学元件11的曲面14，在数值光阑NA＝0.8且压力σ＝-1.35MPa时，通过光学元件11和光学元件12的最大相位差为6°。如果将该值与在无压力(σ＝0)时得到的最大相位差为50°相比，通过施加压力其值减少到无压力时的大约12％。
此外，如果光学元件11和光学元件12的[010]-轴或者[001]-轴与光轴10平行设置且光学元件12相对光学元件11绕光轴10转动45°，也会得到类似值。另外，转动角可以用135°，225°或者315°替代45°。平面13，15也不必一定粘结在一起，而是在其两者之间保持缝隙或者空间。
图3给出了与图1中类似的一个示图，其中图3清楚地示出了(111)-面和[111]-取向。[111]-取向是由取向[100]，[001]和[010]表示的立方结构的对角线并与(111)-面垂直设置。
图4示出了具有本发明特征的光学系统的第二个实施例。所述光学系统包括与第一光学元件11和第二光学元件12相类似的光学元件17和一个光学元件18。等同元件使用相同附图标记。光学元件17和光学元件18区别于光学元件11和光学元件12的是晶体取向。
在光学元件17和光学元件18中，[111]-方向均与光轴10平行设置。如图所示第一光学元件17的[-1，-1，2]-方向与光轴10在纸面上向上地成直角。从图5可以得知，[-1，-1，2]-方向与(111)-面平行排列，并且在图5中指向向上。与此相比，光学元件18的方向[11-2]与光轴10成直角，并且在图中的纸平面上指向向上排列。在图5中，方向[1，1，-2]与方向[-1，-1，2]平行，但是指向相反排列。因此光学元件18相对光学元件17绕光轴10转动180°。
在D＝80mm，2θmax＝106°，和NA＝0.8的类似前提条件下，波长为157nm的光束从左射过，在压力σ＝-1.7Mpa时，最大相位差约为4.5°。
其最大相位差仅为无压力σ时相位差值的13％。
如果在光学元件17和光学元件18中，用[-1，1，1]-方向，[-1，-1，1]-方向，或者[1，-1，1]-方向代替方向[111]与光轴10平行排列且光学元件18相对光学元件17转动180°可以得到相同的结果。也可以通过光学元件18相对光学元件17绕光轴10转动60°或者300°得到类似的结果。
图6示意示出一个根据具有本发明特征的光学系统的第三实施例。光学元件19和光学元件20的晶体取向与在图2中第一实施例的光学元件11和光学元件12的相当。光学元件19是一个包括一个凸面21和一个凹面22的凸-凹透镜。凸面21的曲率半径为750mm。凹面22的曲率半径为1000mm。光学元件19在光轴10区域的厚度为15mm。光学元件20是一个包括第一凸面23和第二凸面24的双凸透镜。凸面23，24的曲率半径均为500mm。光学元件20的厚度为30mm。光学元件19和光学元件20的直径为100mm。第一凸面23与凹面22相对布置。这样，第一凸面23设置在由凹面22形成的凹陷。
光学元件19外圆周均匀承受压力σ1。光学元件20外圆周均匀承受压力σ2。在压力σ1＝-40MPa和σ2＝-1.0Mpa时，对于D＝80mm，2θmax＝106°，和NA＝0.8下，波长为157nm的光束在凹面22上的最大相位差为7°。这相当于与没有施加压力的最大相位差为88°相比约减少到10％。
图7示出了根据本发明特征的光学系统更进一步的实施例。该光学系统包括图4所示的光学元件17和光学元件18的透镜，在其后面设置校正元件25。校正元件25包括均为平板的光学元件26和光学元件27。光学元件26和光学元件27均由CaF2晶体构成，其中光学元件26和光学元件27的[111]-轴均与光轴10平行排列。光学元件26包括平面28，光学元件27包括与面28相对的平面29。光学元件26的方向[-1，-1，2]在图中的纸平面上指向向上地与方向[111]成直角排列。与此相比，光学元件27的取向绕[111]取向转动180°，由此，[1，1，-2]-取向在图中纸平面上指向向上地与[111]-取向成直角排列。
如果在曲面14上具有直径D＝80mm，角范围2θmax＝106°，波长为157nm的光束穿过图7给出的光学系统，在光学系统的数值光阑NA＝0.8时，校正元件25的压力σ＝-6.3Mpa时，最大相位差为6°。这与在无压力情况下的最大相位差为50°相比约减少到12％。
附图标记列表
10  光轴
11  光学元件
12  光学元件
13  平面
14  曲面
15  平面
16  曲面
17  光学元件
18  光学元件
19  光学元件
20  光学元件
21  凸面
22  凹面
23  第一凸面
24  第二凸面
25  校正元件
26  光学元件
27  光学元件

Claims (18)

1、一种用于补偿空间色散的光学系统，包括一光轴(10)、沿该光轴至少配置了一第一组光学元件和一第二组光学元件，其中，第一组光学元件包括元件11、17、19、26，第二组光学元件包括元件12、18、20、27，第一组光学元件相对光轴(10)具有第一取向，第二组光学元件相对光轴(10)具有第二取向，其特征在于，至少可对第一组光学元件和/或第二组光学元件相对光轴径向对称地施加压力(σ，σ1，σ2)，以补偿空间色散。
2、如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述压力(σ，σ1，σ2)是均匀且各向同性的。
3、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述压力(σ，σ1，σ2)在0.5至50MPa。
4、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述压力(σ，σ1，σ2)在0.6至1.6MPa。
5、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：对第一组光学元件和/或第二组光学元件在相对光轴(10)的垂直平面上施加压力使其处于均匀的应力状态。
6、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：具有一个产生压力(σ，σ1，σ2)的装置。
7、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：具有调整压力(σ，σ1，σ2)的调节装置。
8、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：对光学元件19施加第一压力(σ1)，而对光学元件20施加与所施加的第一压力(σ1)不同的第二压力(σ2)。
9、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述光学元件是由一种立方晶体结构的材料构成。
10、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述光学元件由CaF2或者BaF2构成。
11、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：把第一取向的快轴分配给第二取向的慢轴，或者把第一取向的慢轴分配给第二取向的快轴。
12、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：对于材料的四重旋转对称在第一取向时，绕光轴的角度为45°，135°，225°或者315°和/或对于材料的三重旋转对称在第一取向时，绕光轴的角度为60°，180°或者300°。
13、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：[100]-轴，[010]-轴，[001]-轴，[111]-轴，[-1-11]-轴，或者[1-11]-轴沿第一取向和第二取向与光轴平行排列。
14、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述第一组光学元件和第二组光学元件具有彼此所属的面(13，15；22，23；28，29)，它们由平面或凸面/凹面或者凹面/凸面构成并彼此相对。
15、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述第一组光学元件和第二组光学元件形成物镜的端组。
16、如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：光学元件26和光学元件27形成平坦的校正元件(25)。
17、如权利要求16所述的光学系统，其特征在于：光学元件26和光学元件27是厚度相等的平坦层。
18、如权利要求1或2所述的光学系统的应用，所述的光学系统应用在透镜、棱镜、光导、光学窗和用于DUV-光刻法的光学元件，以及制造步进器、受激准分子激光器、晶片、计算机芯片、和集成线路以及包含这种线路和芯片的电子设备。
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