CN103092001B - 光束位置和角度的调节装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于光刻机曝光系统的光束位置和角度的调节装置，其特点在于该装置由沿光束前进方向依次的普通透镜、双焦镜、图像传感器和计算机构成，所述的普通透镜和所述的双焦镜的长焦距共焦点，所述的图像传感器感光面位于所述的双焦镜的后焦面，所述的图像传感器的中心在系统光轴上，所述的图像传感器的输出端与所述的计算机的输入端相连。本发明装置不仅能够实现光束位置和角度的精确调节，而且结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光束对准领域，是一种用于光刻机曝光系统的光束位置和角度的调节装置。
技术背景
光学系统（尤其是大型的、复杂的光学系统）极易受到使用环境中各种动态干扰的影响，环境温度变化、大气湍流、灰尘烟雾以及各种原因引起的机械振动，都会不同程度地影响光学系统的性能，甚至导致系统无法正常工作，因此，在精密光学设备的研制过程中需要高精度的光束位置和角度的调节机构。
以光刻机为例，在光刻机曝光系统中，存在多种因素可能导致激光器出射光束偏离预定的位置和角度：①激光器的输出光束自身存在位置和角度的偏移；②激光器与光刻机照明系统底部模块处于不同的基底上，这两个基底的震动特性存在显著差异易导致光束位置和角度的偏移；③从激光器光束出射口至光刻机照明系统底部模块的最长传输距离为20m，光束在传输过程中极易受到扰动而偏离预定的位置和角度。所以，有必要对进入底部模块的光束的位置和角度进行纠正，从而使照明系统具有调节的光强分布。光束位置和角度的调节装置是光刻机不可缺少的一部分，主要功能是探测光束角度及位置的偏移量，然后对光束进行准实时的伺服控制，将激光器出射光束调节在需要的方向和位置。
基本的几何常识告诉我们：两点确定一条直线。为了实现光束精确对准，光束需经过空间中的两个固定点，第一个点确定光束的中心位置是否偏离，第二个点确定光束的角度是否偏离。在传统的光束位置和角度的调节装置中，每一个点都需要一个探测器，这两个探测器可以分别进行控制。
常用的光束位置和角度的调节装置来源于一个美国专利“Optical Beam Steeringand Sample Apparatus and Method”，专利号US7528364B2，此专利公开日为2007年，在2009年获得授权。该专利的作者曾经在Newport公司工作，在专利中所提到的第一个用途就是用于光刻机中光束的调节。
专利用两个探测器来测量光斑的位置。专利主要提供了一种算法，即根据两个探测器的光斑位置信息，得出两个电动反射镜应该偏转的角度。同时，也能指定光束的位置偏移和角度偏移。对于光刻机来说，过多的光路和元件会使得系统极其庞大，结构复杂，成本和维护难度高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于光刻机曝光系统的光束位置和角度的调节装置，该装置不仅能够实现光束位置和角度的精确调节，而且结构简单、成本低。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于光刻机曝光系统的光束位置和角度的调节装置，其特点在于该装置由沿光束前进方向依次的普通透镜、双焦镜、图像传感器和计算机构成，所述的普通透镜和所述的双焦镜的长焦距共焦点，所述的图像传感器感光面位于所述的双焦镜的后焦面，所述的图像传感器的中心在系统光轴上，所述的图像传感器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
所述的双焦镜可以是双焦镜或普通透镜和双焦镜的组合，双焦镜的两个面都镀有反射膜，当光束通过双焦镜前后两个面的光束和透过双焦镜前表面后经后表面、前表面两次反射后再透过后表面的光束将会聚在不同的焦点上，形成两个焦距，因此称为双焦镜，我们将双焦镜中较长的那个焦距称为长焦距，另一个称为短焦距。普通透镜和双焦镜共焦点可以同时得到聚焦光路和望远光路。普通透镜用来对光束第一次成像，双焦镜用来对通过第一次成像点的光束进行第二次成像，所成的像包括两部分；通过第一次成像点的光束经双焦镜后平行出射，在图像传感器上形成一个光斑像，望远光路对光束的位置偏移敏感，而对光束的角度偏移不敏感，因此该光斑像可以用来测量光束的实际位置相对参考位置的偏移量；通过第一个像点的光束经双焦镜后再次聚焦，在图像传感器上形成一个像点，聚焦光路对光束的角度偏移敏感，而对光束的位置偏移不敏感，因此该像点可以用来测量光束的实际角度相对参考角度的偏移量，这样通过同一个光学系统，在同一个图像传感器上可以同时得到望远光路和聚焦光路的像，在计算机上可以实时显示出来。若光束的位置偏离预定的位置，则计算机上显示出的光斑像的中心不在图像传感器的中心；若光束的角度偏离预定的角度，则计算机上显示出的光斑像的中心与像点不重合；调整光束的位置和角度，使光束在计算机上显示出的光斑像的中心与图像传感器的中心、像点重合，则光束的位置和角度调节在预定的位置和角度。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.系统利用率高、节省成本和空间。光束位置和角度信息可以同时通过该光束位置和角度的调节装置进行显示，并可将光束的位置和角度调节在预定的位置和角度，所以提高了系统利用率、节省成本和空间。
2.维护简单。
附图说明
图1为本发明光束位置和角度的调节装置的结构框图
图2为本发明光束位置和角度的调节装置在实际应用中的结构示意图
图3为本发明光束位置和角度的调节装置中双焦镜的一种结构示意图
图4为本发明光束位置和角度的调节装置中双焦镜的另一种结构示意图
图5为本发明光束位置和角度的调节装置的一个实施例的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明光束位置和角度的调节装置的结构示意图。由图可见，本发明光束位置和角度测量装置由沿光束前进方向的普通透镜01、双焦镜02、图像传感器03和计算机04构成，所述的普通透镜01和所述的双焦镜02的长焦距共焦点，所述的图像传感器03感光面位于所述的双焦镜的后焦面，所述的图像传感器03的输出端与所述的计算机04的输入端相连。
双焦镜02是双焦镜或普通透镜和双焦镜的组合。双焦镜的两个面都镀有反射膜，当光束入射到双焦镜前表面时，一部分光直接通过双焦镜前、后表面出射（如图中粗实线所示）；一部分光经双焦镜后、前表面两次反射后再经由双焦镜后表面出射（如图中细实线所示），两部分光同时成像在图像传感器03上。
根据需要，可以自由给定普通透镜01的焦距f′1和双焦镜02的长焦距f′2L或短焦距f′2S，因为光束通过普通透镜01得到的像以及第一个像通过双焦镜02的聚焦光路第二次成的像都为实像，所以f′1、f′2L、f′2S同为正数。普通透镜01可以是正透镜或正、负透镜的组合。任意选择普通透镜01和双焦镜02的材料、曲率半径、厚度以及两者之间的距离d，将这些参数代入光学设计软件（ZEMAX、CODE V等），并将普通透镜01和双焦镜02的曲率半径、厚度、以及两者之间的距离d设为变量进行优化设计，在运用软件ZEMAX进行优化设计的过程中，可以使用操作数EFFL来控制普通透镜01的焦距f′1和双焦镜02的长焦距f′2L得到一个望远光路，则聚焦光路也相应确定，双焦镜02的短焦距f′2S可以从软件中读出；或使用操作数EFFL来控制普通透镜01的焦距f′1和双焦镜02的短焦距f′2S，得到一个聚焦光路，同时使用操作数RAED或RAEN来控制平行光通过普通透镜01和双焦镜02后直接出射或经双焦镜两次反射后再出射的光线角度为0，则望远光路也相应确定。
如图1所示，在直角坐标系中，Z轴为系统的光轴方向，P1为要测量光束的输入平面，P2为图像传感器03的感光面，P1、P2分别位于X O1Y平面、X O2Y平面，点O1、点O2分别为P1、P2的中心，点A为测量光束的中心，L为测量光束的输入平面P1和普通透镜01之间的距离，图中阴影部分为测量光束经普通透镜01和双焦镜02的望远光路在P2上所成的光斑像，点B为该光斑像的中心，点C为测量光束经普通透镜01和双焦镜02的聚焦光路在P2上所成的像点。这样通过普通透镜01和双焦镜02，在同一个图像传感器03上可以同时得到望远光路和聚焦光路的像，图像传感器03的输出端与计算机04的输入端相连，图像传感器03上所成的像可以在计算机04上实时显示出来。
图2是本发明光束位置和角度的调节装置在实际应用中的结构示意图。若光束的位置偏离预定的位置，则计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）不在图像传感器03的中心（点O2）；若光束的角度偏离预定的角度，则计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）与像点（点C）不重合；通过调节图2所示的反射镜M1和M2的位置和角度，使光束在计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）与图像传感器03的中心（点O2）、像点（点C）重合，则光束的位置（点A）与角度调节在预定的位置（点O1）和角度（Z轴正向）。
双焦镜有两种结构形式，一种是凸透镜形式，如图2所示，直接出射的是平行光线，经双焦镜后、前表面两次反射后再出射的是聚焦光线；一种为凹透镜形式，如图3所示，要得到聚焦光路需采用与凸透镜组合的结构，直接出射的是聚焦光线，经双焦镜后、前表面两次反射后再出射的是平行光线。
下面是一个实施例
本发明的一个实施例的结构如图4所示。双焦镜02b的结构采用的是凹透镜形式，要得到聚焦光路需采用与凸透镜02a组合的结构，直接出射的是聚焦光线，经透镜02b后、前表面两次反射后再出射的是平行光线。
入射光经双焦镜02b后被分成两部分，一部分光直接通过其前、后表面出射（如图中粗实线所示）；一部分光经后、前表面两次反射后再经由后表面出射（如图中细实线所示），两部分光同时成像在图像传感器03上，图像传感器03的输出端与计算机04的输入端相连，图像传感器03上所成的像可以在计算机04上实时显示出来。
假设所需普通透镜01的焦距为100mm，双焦镜的短焦距为50mm，测量光束的输入平面P1和普通透镜01之间的距离为1000mm，入射光的波长为555nm，所述的普通透镜01、02a和双焦镜02b的折射率均为1.52，任取3个镜片的半径都为100mm，厚度为5mm，半径都为100mm。在光学设计软件ZEMAX中，通过优化3个镜片的曲率半径、厚度以及三者之间的距离，使用操作数RAED或RAEN来控制平行光通过普通透镜01、02a和双焦镜02b后直接出射或经双焦镜两次反射后再出射的光线角度为0，即得到一个望远光路；同时使用操作数EFFL来控制普通透镜01的焦距f′1以及普通透镜02a和双焦镜02b组合的短焦距f′2S，则可得到一个聚焦光路，因此可以设计出所需的结构，如图4所示。
沿光束前进方向的普通透镜01、02a和双焦镜02b具体参数为：普通透镜01前、后面的半径分别为102.84mm、-102.84mm，厚度为5mm，普通透镜02a前、后面的半径分别为22.04mm、-32.63mm，厚度为10mm，双焦镜02b前、后面的半径分别为-15.47mm、-41.43mm，厚度为10mm，普通透镜01和普通透镜02a以及普通透镜02a和双焦镜02b之间的距离分别为233.1mm和6.2mm。
图4所示的双焦镜02b和图像传感器03之间的距离为45.2mm。图中细实线所示为望远光路，望远光路只对光束位置的变化敏感，而对光束角度的变化不敏感，可以用来测量光束的实际位置相对参考位置之间的偏移量；图中粗实线所示为聚焦光路，聚焦光路只对光束角度的变化敏感，而对光束位置的变化不敏感，可以用来测量光束的实际角度相对参考角度之间的偏移量。
若光束的位置偏离预定的位置，则计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）不在图像传感器03的中心（点O2）；若光束的角度偏离预定的角度，则计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）与像点（点C）不重合；通过调节图2所示的反射镜M1和M2的位置和角度，使光束在计算机04上显示出的光斑像的中心（点B）与图像传感器03的中心（点O2）、像点（点C）重合，则光束的位置（点A）与角度调节在预定的位置（点O1）和角度（Z轴正向）。
本发明光束位置和角度的调节装置是可行的，实验表明，利用本发明光束位置和角度的调节装置可以同时将光束的位置和角度调节在预定的位置和角度。
Claims (1)
1.一种用于光刻机曝光系统的光束位置和角度的调节装置，其特征在于该装置由沿光束前进方向的第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)、普通透镜(01)、双焦镜(02)、图像传感器(03)和计算机(04)构成，所述的普通透镜(01)和所述的双焦镜(02)的长焦距共焦点，所述的图像传感器(03)感光面位于所述的双焦镜的后焦面，所述的图像传感器(03)的输出端与所述的计算机(04)的输入端相连。
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