CN104777720A - 投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影光学系统，用于将物平面内的图形成像到像平面内，其特征在于，包括：沿着光轴方向从物平面到像平面之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成的物侧组合镜组的后焦点位于孔径光阑的中心处，由第四透镜、第五透镜、第六透镜组成的像侧组合镜组的前焦点位于孔径光阑的中心处，第一透镜、第三透镜、第四透镜和第六透镜都具有正光焦度，第二透镜和第五透镜都具有负光焦度，第一透镜和第六透镜都为双凸透镜，第二透镜和第三透镜都为凹面朝向像平面的弯月形透镜，第四透镜和第五透镜都为凸面朝向像平面的弯月透镜。

Description

投影光学系统

技术领域

本发明涉及光刻技术，具体涉及一种能够将物平面内的图形成像到像平面内的投影光学系统。

背景技术

目前，在印刷电路板(PCB)光刻装备制造领域，采用激光直接成像(LDI)光刻技术的以色列Orbotech公司占有最大的市场份额，在2007年5月日本展会上，宣称安装了约250台设备，在2008年1月宣称安装了约350台设备。Orbotech公司光刻设备的最小线宽由50μm，提高到25μm，甚至到12μm。而其他LDI光刻设备主要由日本公司提供，如Pentax公司、FUJIFILM公司、Dainippon Screen公司，这些光刻设备最小线宽也达到了15μm量级，HITACHI公司型号为DE-H的光刻机最小线宽为10μm等，因此，这些LDI光刻设备对能提供最小线宽10μm投影光学系统的需要急剧增加。

然而在现有技术中，如美国专利US 6879383(公告日：2005年4月12日)，其采用折反射结构，与全折射结构相比，最大缺点是横向尺寸大，导致对透镜材料的要求十分高，尤其是大口径的凹面反射镜加工、检测要求都十分苛刻；而且视场、工作距、装校要求、成本等方面也不如全折射结构具有更大的优势。再者，该专利给出该光学系统5个实施例中，其工作距离仅仅达到7.5mm～11mm范围，其光学总长达到1150mm～1200mm以上。在实际投影光学系统应用中，该工作距离将对工件台等的设计提出十分苛刻的尺寸限制。另外，该专利也没有提供成像质量数据，没有提到可加工性，还采用1个非球面光学元件来增加工作距离到11mm、压缩光学总长到1150mm，此非球面光学元件的引入将给光学加工、光学检测等工作带来很大的困难。

中国专利CN98113037.2(公告日：2003年7月23日)给出了一种像方远心双高斯光学系统，适用于精密光学仪器的成像物镜。该专利给出了物镜设计数据，并给出了成像质量，但是成像质量不能满足印刷电路板(PCB)光刻设备投影光学系统的技术要求，而且还有2个胶合面，也不符合光刻的技术要求。另外，中国专利CN102279460B(公告日：2013年1月23日)，采用进口玻璃换且光刻分辨率为15μm，但是这样的结构造价昂贵且精度不高。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种将物平面内的图形成像到像平面内，并且结构简单、工作距离较大、成像质量高的投影光学系统。

本发明提供了一种投影光学系统，用于将物平面内的图形成像到像平面内，其特征在于，包括：沿着光轴方向从物平面到像平面之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，其中，由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成的物侧组合镜组的后焦点位于孔径光阑的中心处，由第四透镜、第五透镜、第六透镜组成的像侧组合镜组的前焦点位于孔径光阑的中心处，第一透镜、第三透镜、第四透镜和第六透镜都具有正光焦度，第二透镜和第五透镜都具有负光焦度，第一透镜和第六透镜都为双凸透镜，第二透镜和第三透镜都为凹面朝向像平面的弯月形透镜，第四透镜和第五透镜都为凸面朝向像平面的弯月透镜。

在本发明提供的投影光学系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的光学表面均为球面。

在本发明提供的投影光学系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一透镜的前表面的球面半径为65.005mm、半孔径为18.9279mm，第一透镜的后表面的球面半径为1454.1958mm、半孔径为18.7209mm，第一透镜的中心厚度为4.9377mm，第二透镜的前表面的球面半径为60.6545mm、半孔径为18.1802mm，第二透镜的中心厚度为3mm，第二透镜的后表面的球面半径为30.6678mm、半孔径为16.9399mm，第三透镜的中心厚度为12mm，第三透镜的前表面的球面半径为32.9091mm、半孔径为17.2132mm，第三透镜的后表面6的球面半径为273.2575mm、半孔径为15.914mm，孔径光阑的半孔径为2.2038mm，第四透镜的中心厚度为12mm，第四透镜的前表面的球面半径为12.6659mm、半孔径为3.0437mm，第四透镜的后表面的球面半径为11.7364mm、半孔径为4.8421mm，第五透镜的中心厚度为12mm，第五透镜的前表面的球面半径为9.2465mm、半孔径为4.7323mm，第五透镜的后表面的球面半径为26.1718mm、半孔径为7.4145mm，第六透镜的中心厚度为3.7144mm，第六透镜的前表面的球面半径为52.6348mm、半孔径为7.7077mm，第六透镜的后表面的球面半径为27.2949mm、半孔径为7.829mm。

在本发明提供的投影光学系统中，也具有这样的特征：其中，第一透镜和第四透镜采用牌号为ZK9的光学玻璃，第二透镜和第五透镜采用牌号为ZF1的光学玻璃，第三透镜和第六透镜采用牌号为QK3的光学玻璃。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的投影光学系统，因为第一透镜、第二透镜和第三透镜组成的物侧组合镜组的后焦点位于孔径光阑的中心处，第四透镜、第五透镜、第六透镜组成的像侧组合镜组的前焦点位于孔径光阑的中心处，从而构成双远心结构，第一透镜和第六透镜为双凸透镜，第二透镜和第三透镜为凹面朝向像平面的弯月形透镜，第四透镜和第五透镜为凸面朝向像平面的弯月透镜，实现全折射结构，实现有效的校正色差、提高成像质量，并且工作距离较长，因此，本发明的投影光学系统能够高质量的将物平面内的图形成像到像平面，并且结构简单、工作距较长以及光刻分辨率为5μm的优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中投影光学系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例中投影光学系统的调制传递函数MTF图；

图3是本发明的实施例中投影光学系统的RMS波像差分布图；以及

图4是本发明的实施例中投影光学系统的球差、象散、场曲、畸变分布图。

具体实施案例

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的投影光学系统作具体阐述。

在本实施例中，投影光学系统100用于印刷电路板(PCB)激光直接成像(LDI)光刻装备，不仅能够有效地校正色差，而且具有较大的工作距离、优良的成像质量，从而达到实际曝光应用的要求。激光直接成像(LDI)光刻装备采用波长(λ)为405nm激光二极管作为光源，要求投影光学系统100的光谱带宽为405±5nm。光刻装备所能曝光的最小线宽(CD)为5μm，工艺因子k₁选择0.72，从而像方数值孔径NA为：

$\mathrm{NA}=k_1\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{CD}}=0.72\×\frac{0.405}{5}=0.05832$

光刻装备的物方视场直径为26.53mm、像方视场直径为12.28mm、放大倍率为1/2.16、共轭距为400mm、物方工作距大于200mm、像方工作距大于25mm。光刻装备对投影光学系统100约束参数如表1所示。

表1 LDI光刻设备要求的投影光学系统参数

约束项目	参数
		工作波长	410nm、405nm、400nm
物方数值孔径	0.027
		像方数值孔径	0.05832
物方视场直径	26.53mm
		放大倍率	1/2.16
像方工作距	>25mm
		物方工作距	>200mm
共轭距	400mm

图1是本发明的实施例中投影光学系统的结构示意图。

如图1所示，根据表1的约束参数，投影光学系统100沿光轴方向包括：物平面W、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、孔径光阑K、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和像平面X。

第一透镜L1和第四透镜L4选用国产牌号ZK9光学玻璃，第二透镜L2和第五透镜L5选用国产牌号ZF1光学玻璃，第三透镜L3和第六透镜L6选用国产牌号QK3光学玻璃。

第一透镜L1和第六透镜L6都为双凸透镜，第二透镜L2和第三透镜L3为弯月形透镜，且凹面朝向像平面X，第四透镜L4和第五透镜L5为弯月形透镜，且凸面朝向像平面X，且每一透镜的光学表面均为球面。这样不但能够方便光学加工、光学检测并且降低了成本。

第一透镜L1、第三透镜L3、第四透镜L4和第六透镜L6具有正光焦度，第二透镜和第五透镜具有负光焦度，孔径光阑位于第三透镜L3和第四透镜L4之间。

第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成的物侧组合镜组的后焦点位于孔径光阑K的中心，第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成的像侧组合镜组的前焦点位于孔径光阑K的中心，从而构成双远心结构。双远心结构能够保证放大倍率不随着物面和像面沿光轴方向的移动而变化。物空间和像空间的成像光锥都是对称于主光线的，即物空间和像空间的主光线平行于光轴，就形成双远心结构的投影光学系统。这样，即使物面和像面处于离焦的位置，物和像的高度在垂直于光轴平面上仍然没有改变，即放大倍率没有改变。这点对投影光刻技术非常重要。

在本实施例中，物平面W、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、孔径光阑K、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和像平面中每个表面对应的参数如表2所示。

表2 本发明的投影光学系统的设计参数

表2给出了本实施例的投影光学系统100的每一片透镜的具体设计参数值，其中，“所属对象”一栏指示了从物平面W到像平面X之间每一表面所对应的透镜；“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径；“厚度/间隔”一栏给出了相邻两表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则“厚度/间隔”的数值表示该透镜的厚度，否则表示物/像面到透镜的距离或者相邻透镜的间距。“光学材料”一栏即指明所对应透镜的材料的国产牌号，“半孔径”一栏指明了所对应表面的1/2孔径值，即半高度。

第一透镜L1的前表面1(1为表2中表面的编号)的球面半径为65.005mm，前表面1到物平面W的间距为243.5158mm，其光学材料为国产牌号ZK9的光学玻璃，前表面1的半孔径为18.9279mm；第一透镜L1的后表面2的球面半径为-1454.1958mm(正负号表示了表面的弯曲方向)，前表面1到后表面2，即第一透镜L1的中心厚度为4.9377mm，后表面2的半孔径为18.7209mm，即第一透镜L1是双凸透镜。

第二透镜L2的前表面3的球面半径为60.6545mm，前表面3的半孔径为18.1802mm，前表面3到第一透镜L1的后表面2的间距为0.1mm，第二透镜L2的光学材料为国产牌号ZF1的光学玻璃，第二透镜L2的中心厚度为3mm，第二透镜L2的后表面4的球面半径为30.6678mm，后表面4的半孔径为16.9399mm，即第二透镜L2为凹面朝向像平面X的弯月形透镜。

第三透镜L3的光学材料为国产牌号QK3，第三透镜L3的中心厚度为12mm，第三透镜L3的前表面5到第二透镜L2的后表面4的间距为6.8839mm，前表面5的球面半径为32.9091mm，前表面5的半孔径为17.2132mm，第三透镜L3的后表面6的球面半径为273.2575mm、半孔径为15.914mm，即第三透镜L3为凹面朝向像平面X的弯月形透镜。

孔径光阑K距离第三透镜L3的距离为60.3252mm，并且半孔径为2.2038mm。孔径光阑K的孔径尺寸的改变将影响该投影光学系统的成像效果。

第四透镜L4的光学材料为国产牌号ZK9，第四透镜L4的中心厚度为12mm，第四透镜L4的前表面8到孔径光阑K的间距为8.6529mm，前表面8的球面半径为-12.6659mm，前表面8的半孔径为3.0437mm，第四透镜L4的后表面9的球面半径为-11.7364mm、半孔径为4.8421mm，即第四透镜L4为凸面朝向像平面X的弯月形透镜。

第五透镜L5的光学材料为国产牌号ZF1，第五透镜L5的中心厚度为12mm，第五透镜L5的前表面10到第四透镜L4的后表面9之间的间距为5.0417mm，前表面10的球面半径为-9.2465mm，前表面10的半孔径为4.7323mm，第五透镜L5的后表面11的球面半径为-26.1718mm、半孔径为7.4145mm，即第五透镜L5为凸面朝向像平面X的弯月形透镜。

第六透镜L6的光学材料为国产牌号QK3，第六透镜L6的中心厚度为3.7144mm，并且距离像平面X的距离为27.74mm，第六透镜L6的前表面12到第五透镜L5的后表面11之间的间距为0.1mm，前表面12的球面半径为52.6348mm，前表面12的半孔径为7.7077mm，第六透镜L6的后表面13的球面半径为-27.2949mm、半孔径为7.829mm，即第六透镜L5为双凸透镜。

像平面X的半孔径表示像方视场半高度，为6.1412mm。

图2是本发明的实施例中投影光学系统的调制传递函数MTF图。

如图2所示，本实施例的投影光学系统100的调制传递函数MTF，其反映了本实施例的投影光学系统100的成像质量。当在表1中工作波长、数值孔径、视场等参数条件下，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知，其像差校正程度如下表3所示。

表3 本发明的投影光学系统设计成像质量

图3是本发明的实施例中投影光学系统的RMS波像差分布图。

如图3所示，投影光学系统100的RMS波像差分布图，视场内最大的波像差为10.034mλ。

图4是本发明的实施例中投影光学系统的球差、象散、场曲、畸变分布图。

如图4所示，投影光学系统100的球差、象散、场曲、畸变分布图。

采用本实施例的投影光学系统100完全满足用于印刷电路板(PCB)激光直接成像(LDI)光刻装备的技术要求，成像质量优良，并且达到实际曝光应用的要求。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的投影光学系统，因为第一透镜、第二透镜和第三透镜组成的物侧组合镜组的后焦点位于孔径光阑的中心处，第四透镜、第五透镜、第六透镜组成的像侧组合镜组的前焦点位于孔径光阑的中心处，从而构成双远心结构，第一透镜和第六透镜为双凸透镜，第二透镜和第三透镜为凹面朝向像平面的弯月形透镜，第四透镜和第五透镜为凸面朝向像平面的弯月透镜，实现全折射结构，实现有效的校正色差、提高成像质量，并且工作距离较长，因此，本实施例的投影光学系统能够高质量的将物平面内的图形成像到像平面，并且结构简单、工作距较长以及光刻分辨率为5μm的优点。

在本实施例中，由于透镜的光学表面均为球面，因此，本实施例能够降低透镜的加工、检测和装校的难度。

在本实施例中，由于透镜为国产玻璃，并且光刻的分辨率达到5μm，节约了造价，提高了精度。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种投影光学系统，将物平面内的图形成像到像平面内，其特征在于，包括：

沿着光轴方向从所述物平面到所述像平面之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜，

其中，由所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜组成的物侧组合镜组的后焦点位于所述孔径光阑的中心处，

由所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜组成的像侧组合镜组的前焦点位于所述孔径光阑的中心处，

所述第一透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第六透镜都具有正光焦度，所述第二透镜和所述第五透镜都具有负光焦度，

所述第一透镜和所述第六透镜都为双凸透镜，所述第二透镜和所述第三透镜都为凹面朝向所述像平面的弯月形透镜，所述第四透镜和所述第五透镜都为凸面朝向所述像平面的弯月形透镜。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：

其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜的光学表面均为球面。

3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于：

其中，所述第一透镜的中心厚度为4.9377mm，前表面的球面半径为65.005mm、半孔径为18.9279mm且后表面的球面半径为1454.1958mm、半孔径为18.7209mm，

所述第二透镜的中心厚度为3mm，前表面的球面半径为60.6545mm、半孔径为18.1802mm，后表面的球面半径为30.6678mm、半孔径为16.9399mm，

所述第三透镜的中心厚度为12mm，前表面的球面半径为32.9091mm、半孔径为17.2132mm，且后表面6的球面半径为273.2575mm、半孔径为15.914mm，

所述孔径光阑的半孔径为2.2038mm，

所述第四透镜的中心厚度为12mm，前表面的球面半径为12.6659mm、半孔径为3.0437mm，且后表面的球面半径为11.7364mm、半孔径为4.8421mm，

所述第五透镜的中心厚度为12mm，前表面的球面半径为9.2465mm、半孔径为4.7323mm，且后表面的球面半径为26.1718mm、半孔径为7.4145mm，

所述第六透镜的中心厚度为3.7144mm，前表面的球面半径为52.6348mm、半孔径为7.7077mm，且后表面的球面半径为27.2949mm、半孔径为7.829mm。

4.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：

其中，所述第一透镜和所述第四透镜采用牌号为ZK9的光学玻璃，所述第二透镜和所述第五透镜采用牌号为ZF1的光学玻璃，所述第三透镜和所述第六透镜采用牌号为QK3的光学玻璃。