CN104503066B - 一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其光学结构为双方远心结构，物像共轭总长为l＝1500mm；其中物方视场为Φ120mm，物方数值孔径NA＝0.1。本镜头放大倍率β＝‑1×，即按原比例成倒像于像面且质量较好，分辨力σ<3μm。该镜头设计工作波段为λ＝(365±10)nm紫外光，镜片数量少同时成像质量好，用于大视场，大数值孔径投影光刻成像。

Description

一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头
技术领域
本发明涉及所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，属于投影光刻机的光机系统设计领域。
背景技术
随着各行各业对LED，LCD面板的需求不断扩大，作为信息时代工业母机的光刻机，对其加工生产效率也有了更高的要求，同时生产厂家对大面积投影光刻机也提出了更高的技术指标，其中又主要体现在对投影光刻物镜的视场要求越来越大，同时物镜的成像质量必须得到保证。通过提高投影光刻的视场，可以有效地提升大面积投影光刻机的生产效率，提高光刻机的市场价值。
日本专利JP2006266738A公布了一种应用于365nm波长的大面积光刻投影物镜，其像方NA为0.145，像方有效视场132×132mm，系统总长约1500mm，工艺因子可以控制在0.5以下。其光学系统总共包含27枚镜片，其中应用了1个低阶非球面(14阶)。该设计中的物镜的场曲约为10um左右，其畸变可以低于0.0002％。现阶段国内外大部分大视场投影光刻物镜的设计都参考了此专利。
由于国内光学加工及装配工艺落后于国外，光学加工效率不如国外，所以为了提高大面积投影光刻机的生产效率，提高成像视场也成了趋势。但提高成像视场又会大幅增加物镜的设计难度，所以国内目前并没有特别成熟的大视场、大孔径(像方视场大于Φ120mm且数值孔径超过0.15)的光刻投影物镜设计方案。总之，要以较少的镜片数在大视场范围内矫正、平衡各类像差并降低镜面加工难度是目前大视场、大孔径光刻投影物镜继续突破的难题。
发明内容
为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，可以有效地校正各类像差，达到较高的分辨力。
该紫外光投影光刻物镜光学结构为双方远心，物像共轭总长为l＝1500mm，镜片整体设计再整合优化。
第一组镜头单元主要是由3枚镜片L1，L2，L3组成，其中镜头通过镜筒来调整实际物方距离，通过法兰与连接镜筒精密连接，从而保证与第二组镜组的位置距离。
第二组镜头单元含有4枚镜片L4，L5，L6，L7，在L4与L5之间装有成像光阑。通过法兰与连接镜筒精密连接，从而保证与第一组镜头的位置距离，通过调整镜框，同时保证镜片间的同轴度和中心距离精度；
第三组镜头单元包含1枚镜片，为1枚正透镜，为了缩短整个镜头的横向长度，节省空间体积，在第二组和第三组之间设计安装一枚反射镜。镜片L7与L8之间通过一枚平面反射镜传递光路，达到节约空间的效果。
三组镜头组成双方远心结构，镜头两端用压圈进行精密固定，镜筒之间通过法兰精密定位连接，有效校正多种像差，尤其是的畸变和球差。
本发明一种大视场，大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头总共包含8枚镜片。在使用同厂家同牌号玻璃的情况下可以有效提高透过率。同时也能保证更换成对应的国产玻璃时，镜头的透过率接近国外的设计方案。
该镜头为等比例成倒像，其中物方视场Φ120mm，物方数值孔径NA＝0.1，缩小倍率M＝-1×，即等比例成倒像于镜头的像面上。
光路为双方远心光路，成倒像于像面上且成像质量较好，各类像差，尤其是的畸变和球差控制较好，分辨力σ能达到3μm。物方像方远心度均控制在±0.5度。
该成像镜头物方视场Φ120mm，物方数值孔径NA＝0.1。分辨力σ能达到3μm，图像对比度也较高。物方像方远心度均控制在±0.5度。
本发明中镜头物方数值孔径NA＝0.1，数值孔径NA较大，然后通过对镜片加工精度的严格控制，以及整个镜头的装配工艺，提高光刻工艺参数，最后可以保证分辨率σ达到3um。
本发明中，镜头物方视场Φ120mm，物方数值孔径NA＝0.1，分辨力σ能达到3μm,需要严格控制镜头的畸变，尤其是边缘视场的畸变。根据[0015]中所提到的镜头理论分辨力σ＝3um，为保证物镜投影成像的失真较小，畸变需要严格控制。
本发明中，镜头设计工作波段主要为(365±10)nm紫外光线，用于紫外光源大视场，大数值孔径的投影光刻成像。
物镜的玻璃材料几乎选用成都光明光电公司生产的熔石英，价钱虽然较贵，但经过实际测试，熔石英玻璃材料在投影光刻成像中性能较好。
实际镜片参数和镜片中心距参数如下表格所示：
本发明中，镜筒横向总长度为1250mm，镜筒平均直径为300mm，每个镜头单元之间通过法兰连接，通过压圈对镜片和镜框进行固定定位。通过调整镜片镜框，进行同轴度和中心距调整，从而保证光路的精密性。
本发明中，镜片之间通过镜框逐一对镜片进行精确定位，每个镜片均采用一个对应的镜框，通过镜框与镜筒连接，采用镜框压圈对镜框进行定位，最后调整镜框来达到镜片之间的同轴度和中心距离。
本发明中，镜片之间用镜框进行精确定位，镜筒之间通过精密法兰连接，从而保证镜筒之间的中心距离，含有多块镜片的镜筒中，采用阶梯孔，以方便镜片镜框的装配。
整个镜头设计中，为了缩短横向距离，在镜组2和镜组3之间通过一枚反射镜转换光路，从而缩短了整个镜头的横向尺寸，也使镜头更方便接入光刻机，为光刻机加工节省空间。
附图说明
图1为本发明一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头结构图；
图2为本发明一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头MTF曲线；
图3为本发明一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头像差曲线；
图4为本发明一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头光机结构装配工程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明的结构如附图1所示，通过物面传出光信号，出射光线经过本发明一种大视场，大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，成负1倍等比例像于像面上。
本投影光刻物镜镜头以第1枚物镜朝向物方的入射面为第1面，以此类推，共计16个面，8枚镜片。物面到光阑之间有4块镜片，光阑到像面之间有4块镜片,其中第L1、L4、L5为负透镜，其余为正透镜。同时为了更好地运用于实际光刻机结构中，本发明通过在镜组2和镜组3之间利用一个平面反射镜来传递光路，改变光路传递方向，从而缩短整个镜头的横向长度，节省镜头的占用空间。镜头设计减少镜片数量的同时也校正多种像差，尤其是畸变和场曲。
在整个镜头设计中，均采用熔石英玻璃，整个物镜的透过率经过软件估算为55％左右。所以，本例中较少的镜片数(8枚)可以有效保证整个投影成像镜头在使用国产玻璃时拥有良好的透过率。
在整个镜头设计中，一方面需要严格的机械加工精度，另一方面也需要对实际的装配精度保证，才能保证实际参数与理论参数的差值降到最小。
照上述方案实施本例后，该镜头成像像质可以很好地逼近理论计算结果。物镜的MTF曲线如附图2所示(通过软件ZEMAX模拟分析)，大视场，大数值孔径紫外光投影光刻物镜成像质量较好。
同时，如附图3所示(通过软件ZEMAX模拟分析)，点扩散斑几何直径和均方根直径都低于衍射极限计算值，点扩撒阵列图集中于艾里斑内，各类像差平衡得较好，物镜的球差、慧差也控制得很好。
本例中，镜片面型加工公差需要比较严格。虽然口径较大，但是中频误差和中频误差也都需严格控制。
整个耦合镜头光机机械结构如附图4所示，各个镜头单元通过法兰连接，其位置精度由镜筒和镜框精确控制，同时通过镜头内部的镜框来调整镜片之间的同轴度和中心距，在每个镜片后面用镜片压圈固定镜片，而镜框后面又通过镜框压圈进行固定定位，从而保证镜头成像于理想像面中心。
在加工镜筒内壁时，需要严格保证公差，保证镜片的同轴度和位置精度，对隔圈尺寸也有加工精度要求，实现对镜头单元与镜头单元之间的距离和保证镜片之间的中心距。
在装配时需对各镜片间的空气间隙和镜片的厚度进行微调，同时也需要对镜框进行微调，从而最大限度降低因面型加工产生的像质偏差，保证物镜成像质量达到最优。
上述具体实施方式及结果均不是本发明性能的最佳体现，但各项评价指标都达到或者超越了设计预期。若在实际应用中能有效降低工艺因子，则成像质量可以进一步提高。

Claims (5)

1.一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其特征是：从物面沿光轴方向开始，共有8块镜片，依次为L1～L8；其中物面到光阑之间有4块镜片，光阑到像面之间有4块镜片；所述8块镜片中，L1、L4、L5为负透镜，其余为正透镜；
实际镜片参数和镜片中心距参数如下表格所示：
半径 中心距 玻璃材料 物面 50.000000 1 -864.509195 29.998672 熔石英 2 157.862131 40.000000 3 -199.203436 34.641077 熔石英 4 -151.151656 0.199795 5 268.823789 42.072879 熔石英 6 -217.431443 358.782672 7 58.012704 35.550495 熔石英 8 41.164737 14.383094 光阑 15.000000 9 -113.861399 70.000069 熔石英 10 -230.600400 80.339292 11 -368.040727 46.771272 熔石英 12 -132.138493 2.000000 13 1711.117782 36.722979 熔石英 14 -516.244800 363.490950 15 1558.205060 30.089739 熔石英 16 -611.292037 249.957038 像面 。
2.根据权利要求1所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其特征是：其光学系统为等比例成像，放大倍率M＝-1×。
3.根据权利要求1所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其特征是：其光路为双方远心光路，物方像方远心度均控制在±0.5度。
4.根据权利要求1所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其特征是：其中物方视场为Φ＝120mm，物方数值孔径NA＝0.1。
5.根据权利要求4所述的一种大视场大数值孔径紫外光投影光刻物镜镜头，其特征是：该镜头设计工作波段为365±10nm紫外光波段，能完成对紫外光光波段的成像，达到紫外光源投影光刻成像要求。
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