CN107885041B - 一种大视场曝光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场曝光系统，包括沿光路依次设置的光源、照明模块、掩模台、投影物镜模块和工件台，所述投影物镜模块由若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元包括平板、楔板和透镜，所述平板、楔板和透镜由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。通过若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接形成投影物镜模块，从而在非扫描方向上拼接成连续大视场，每个子投影物镜单元包括由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成的平板、楔板和透镜排列而成，通过平板、楔板和透镜的运动可以实现对子投影物镜单元焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜和基板加工误差和形变对成像的影响，保证了大视场的成像质量。

Description

一种大视场曝光系统

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，具体涉及一种大视场曝光系统。

背景技术

平板显示技术发展较快，尺寸越来越大。如果使用较大视场的物镜进行曝光能够有效地提升产率。然而随着物镜光学系统视场的增大，设计及加工制造等各方面的难度都会增加。通常应用于大视场曝光系统的投影物镜有三种结构：第一种是使用单一的大视场物镜进行大视场扫描，其存在加工难度大，成本高，对掩膜基板形变要求高的缺点；第二种是使用多个独立的投影物镜在扫描方向进行视场拼接形成扫描方向连续大视场，相对于单物镜加工难度降低，对掩膜和基板形变也可做单独视场的补偿，然而物镜数量增加导致成本非常高，为保证拼接像位置每个物镜需要额外的调整机构进行像位置调整，不同物镜间的像质差异导致拼接像曝光质量差异；第三种是使用大的微透镜阵列组作为成像物镜，结构简单，可以减少成本和控制难度，然而大尺寸微透镜加工难度较大，且曲率加工公差会导致成像质量不一致，镜头像差无法补偿分辨率和成像质量有一定局限。

近几年，一种称为负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛的关注。1968年，前苏联物理学家Veselago提出了“左手材料”的概念，这种负折射材料具有负的介电常量与磁导率，那么电矢量，磁矢量和波矢之间构成左手系关系，这区别于传统材料中的右手系。由于自然界没有介电常量和磁导率同时为负的材料，并且也没有相关的实验验证，导致负折射材料没有得到长足的发展。1996年，英国的Pendry指出可以用细金属导线阵列构造介电常数为负的人工媒质，1999年又指出可以用谐振环阵列构造磁导率为负的人工媒质。2000年美国的Smith等人以铜为主的复合材料制造出了世界上第一块在微波波段等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质材料，从而证明了负折射材料的存在。负折射率材料自身的物理特性与常用材料有很大不同，在很多领域应用可以带来非常大的变革。

在普通介质中波矢量方向和电磁波的相位传播矢量方向总是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、电矢量始终构成右手定则。但在负折射率介质中，波矢量和群速方向却正好相反。

目前已有可以透过紫外光线的负折射材料问世。如图1a所示，为纳米尺度的双曲超表面银晶体膜结构；当波长小于540纳米时，光线负折射传播，如图1b所示；当波长大于540纳米时，光线正常折射传播，如图1c所示。现有技术中提出了一种使用几种材料组合形成具有负折射率性质的平板式材料层用于曝光成像的方法，采用单一的负折射率材料平板，可以进行曝光成像，然而无法实现成像调整。

发明内容

本发明提供了一种大视场曝光系统，以解决现有技术中存在的结构复杂，加工装配和控制难度大，以及尺寸大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种大视场曝光系统，包括沿光路依次设置的光源、照明模块、掩模台、投影物镜模块和工件台，所述投影物镜模块由若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元包括平板、楔板和透镜，所述平板、楔板和透镜由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。

进一步的，每个所述子投影物镜单元包括两个楔板、两个平板和两个透镜依次排列而成，其中两个所述楔板相对设置，两个所述透镜之间设有空气间隙。

进一步的，每个所述子投影物镜单元包括两个平板、三个透镜和两个楔板依次排列而成，其中三个所述透镜两两之间均设有空气间隙，两个所述楔板相对设置。

进一步的，两个所述楔板之间沿楔面方向相对运动以调节物面和像面的共轭距。

进一步的，其中一个所述楔板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的倍率，绕Z轴旋转以改变像面在Y方向的倾斜角度。

进一步的，两个所述平板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转以改变像面在X方向的水平位置。

进一步的，相邻两个所述透镜之间的空气间隙沿Z方向发生变化以改变子投影物镜单元的倍率。

进一步的，每个所述子投影物镜单元包括一侧为平面一侧为球面的第一透镜、双侧均为球面的第二透镜、一面为球面一面为楔形平面的第三透镜、楔板和平板依次排列而成。

进一步的，所述第一透镜和第二透镜相对一侧的球面的曲率半径对应，所述第二透镜和第三透镜相对一侧的球面的曲率半径对应。

进一步的，所述第一、第三透镜为平凸透镜或平凹透镜。

进一步的，所述第二透镜为双凹透镜或双凸透镜或弯月透镜。

进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜两两之间的空气间隙沿Z方向发生变化以改变子投影物镜单元的倍率。

进一步的，所述楔板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的倍率，绕Z轴旋转以改变像面在Y方向的倾斜角度。

进一步的，所述平板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转以改变像面在X方向的水平位置。

进一步的，所述投影物镜模块的纵截面为矩形结构，所述矩形的高度D与物距d1，像距d2，负折射材料折射率n’及入射光半角θ₁之间的关系为

本发明提供的大视场曝光系统，包括沿光路依次设置的光源、照明模块、掩模台、投影物镜模块和工件台，所述投影物镜模块由若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元包括平板、楔板和透镜，所述平板、楔板和透镜由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。通过若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接形成投影物镜模块，从而在非扫描方向上拼接成连续大视场，每个子投影物镜单元包括由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成的平板、楔板和透镜排列而成，通过平板、楔板和透镜的运动可以实现对子投影物镜单元焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜和基板加工误差和形变对成像的影响，保证了大视场的成像质量，本发明结构简单，尺寸小，像差低，成像质量高。

附图说明

图1a是现有技术中纳米尺度的双曲超表面银晶体膜结构；

图1b是图1a中的材料表现正折射率的示意图；

图1c是图1a中的材料表现负折射率的示意图；

图2是本发明实施例1中大视场曝光系统的结构示意图；

图3是本发明实施例1中光线通过负折射率材料时的传播的示意图；

图4是本发明实施例1中光线通过子投影物镜单元的示意图；

图5是本发明实施例1中子投影物镜单元的厚度推导示意图；

图6是本发明实施例1中子投影物镜单元的结构示意图；

图7是本发明实施例1中投影物镜模块的场曲曲线图；

图8是本发明实施例1中投影物镜模块的畸变曲线图；

图9是本发明实施例2中子投影物镜单元的结构示意图；

图10是本发明实施例3中子投影物镜单元的结构示意图。

图2-10中所示：1、光源；11、入射光线；13、折射光线；2、照明模块；3、掩模台；4、投影物镜模块；41、子投影物镜单元；42、平板；43、楔板；44、透镜；44a-44c、第一透镜-第三透镜；5、工件台；6、掩膜；7、基板；81、物面；82、像面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图2所示，本发明提供了一种大视场曝光系统，包括沿光路依次设置的光源1、照明模块2、掩模台3、投影物镜模块4和工件台5，以及调焦、对准、控制等模块(图中未示出)，所述投影物镜模块4由若干子投影物镜单元41沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元41包括平板42、楔板43和透镜44，所述平板42、楔板43和透镜44由负折射率材料或，具体的，掩模台3上设有掩膜6，工件台5上设有基板7，光源1发出的紫外光线经过照明模块2的分光、匀光等处理得到多个照明视场照射到掩膜6的相应位置，通过投影物镜模块4将掩膜6上特定区域的图案等比例成像在基板7的对应位置上，当掩模台3和工件台5相对于投影物镜模块4在扫描方向(Y方向)上进行运动时，基板7上将得到连续的完善像。若干子投影物镜单元41沿非扫描方向(X方向)拼接成连续大视场，且通过平板42、楔板43和透镜44的运动可以实现对子投影物镜单元41焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜6和基板7加工误差和形变对成像的影响，保证了大视场的成像质量。

其中，负折射材料的最大特点是负折射率，自然界中，当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象，这种现象称为“正折射”，如图3所示。若介质a为普通材料，而介质b为负折射率材料时，入射光线11和折射光线13位于界面法线同侧，且折射光线13的能流S方向与波矢量K方向相反，被称为“负折射”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。

光学器件的制造一直被一条光学规律所限制：无论光学仪器的镜片多么精良，任何小于光的一个波长长度的物质都是无法观察到的。利用负折射率材料制成的透镜却能克服这个问题，制作成“理想”透镜，它不仅和常规的介质一样能会聚行波，而且还能聚焦随距离增加快速衰减的衰减波。一般会聚透镜的工作原理是将透镜一侧的光源通过具有一定曲度的材料将光源的图像重新会聚于透镜的另一侧，根据Snell(斯涅尔)定律，一般透镜的解析度都受限于物体表面辐射源所散射出的消散波的损失，其值随着垂直表面的距离作指数衰减，在成像时，这些随距离消散的波相位将损失掉，而产生相差，这也是普通介质透镜无法克服的问题。如图3所示，对于负折射率材料平板透镜而言，依照Snell定律，所有点波源发散的波都会重新会聚到平板介质中的某一点，相位不会有部分遗失。根据Fresnel(菲涅耳)定律可以验证，入射板状结构负折射率材料的电磁波对于消散场的衰减可被抵消掉，即电磁波的振幅经介质后仍能调回原振幅，使得横向波的相位不因振幅衰减而失真，从而突破了一般透镜成像的极限。

如图4所示，所述投影物镜模块4的纵截面为矩形结构，成像光路如图中所示。成像倍率为正一倍，投影物镜的分辨率由照明系统输出的光线NA(数值孔径)决定。负折射率平板材料的成像条件是必须保证光线在平板材料中有汇聚，因此拼接的子投影物镜单元41的厚度对于每个确定了相关需求参数的曝光系统是一个一一对应的特定值。该值可根据折反射定律计算。将子投影物镜单元41等效为一个平板计算，如图5所示，当入射介质折射率为n₁，出射介质折射率为n₂，子投影物镜单元41的厚度D(也即投影物镜单元4的厚度/矩形的高度)与物距d₁，像距d₂，负折射材料折射率n’及入射光半角θ₁、出射光半角θ₂之间的关系推导如下：

n₁sinθ₁＝n'sinθ'＝n₂sinθ₂；

其中，d₀为光线在子投影物镜单元41内部交汇点距离入射面的距离，θ’为折射角。

由于子投影物镜单元41物方和像方为相同介质，且n1＝n2≈1.因此

举例说明：当NA为0.1，负折射材料折射率n’为-1.5，物距d₁为20mm，像距d₂为10mm时，子投影物镜单元41的厚度D为45.126mm。而且从上面的公式可以看出d₁，d₂的和为定值，因此子投影物镜单元41在物面81和像面82之间沿光轴移动不会改变物面81和像面82位置，不会产生离焦。

如图6所示，每个所述子投影物镜单元41包括两个楔板43、两个平板42和两个透镜44依次排列而成，其中两个所述楔板43相对设置，两个所述透镜44之间设有空气间隙。本实施例中，两个楔板43、两个平板42和两个透镜44均由负折射透镜材料制成，各个镜片上下表面的结构参数如下表1所示，通过楔板43、平板42和透镜44的运动可以实现对子投影物镜单元41的焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜和基板加工误差和形变对成像的影响，具体为：两个所述楔板43之间沿楔面方向相对运动可以调节物面81和像面82的共轭距，即调节物面81和像面82的位置；其中一个所述楔板43绕X轴旋转可以改变像面82在Y方向的倍率，绕Z轴旋转可以改变像面82在Y方向的倾斜角度；两个所述平板42绕X轴旋转可以改变像面82在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转可以改变像面82在X方向的水平位置；相邻两个所述透镜之间的空气间隙沿Z方向发生变化可以改变子投影物镜单元41的倍率，通过仿真，由上述子投影物镜单元41拼接形成的投影物镜模块4场曲和畸变分别如图7、8所示。

表1子投影物镜单元中每个镜片的结构参数

实施例2

如图9所示，与实施例1不同的是，每个所述子投影物镜单元41包括两个平板42、三个透镜44和两个楔板43依次排列而成，其中三个所述透镜44两两之间均设有空气间隙，两个所述楔板43相对设置。本实施例中，两个平板42、三个透镜44和两个楔板43均由在曝光波段折射率为负的材料制成，通过平板42、三个透镜44和两个楔板43的运动可以实现对子投影物镜单元41的焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜和基板加工误差和形变对成像的影响，具体为：两个所述平板42绕X轴旋转可以改变像面82在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转可以改变像面82在X方向的水平位置；三个透镜44两两之间的空气间隙沿Z方向发生变化可以改变子投影物镜单元41的倍率；两个所述楔板43之间沿楔面方向相对运动可以调节物面81和像面82的共轭距，即调节物面81和像面82的位置；其中一个所述楔板43绕X轴旋转可以改变像面82在Y方向的倍率，绕Z轴旋转可以改变像面82在Y方向的倾斜角度。

实施例3

与上述实施1-2不同的是，如图10所示，本实施例中每个所述子投影物镜单元41包括一侧为平面一侧为球面的第一透镜44a、双侧均为球面的第二透镜44b、一面为球面一面为楔形平面的第三透镜44c、楔板43和平板42依次排列而成，排列的顺序可以从上到下或从下至上。所述第一透镜44a、第二透镜44b、第三透镜44c、楔板43和平板42由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。

优选的，所述第一透镜44a和第二透镜44b相对一侧的球面的曲率半径对应，所述第二透镜44b和第三透镜44c相对一侧的球面的曲率半径对应。所述第一、第三透镜44a、44c可以为平凸透镜或平凹透镜，所述第二透镜44b为双凹透镜或双凸透镜或弯月透镜。

通过第一透镜44a、第二透镜44b、第三透镜44c、楔板43和平板42的运动可以实现对子投影物镜单元41的焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜和基板加工误差和形变对成像的影响，所述第一透镜44a、第二透镜44b、第三透镜44c两两之间的空气间隙沿Z方向发生变化可以改变子投影物镜单元41的倍率。所述楔板43绕X轴旋转可绕以改变像面82在Y方向的倍率，绕Z轴旋转可以改变像面82在Y方向的倾斜角度。所述平板42绕X轴旋转可以改变像面82在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转可以改变像面82在X方向的水平位置。

综上所述，本发明提供的大视场曝光系统，包括沿光路依次设置的光源1、照明模块2、掩模台3、投影物镜模块4和工件台5，所述投影物镜模块4由若干子投影物镜单元41沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元41包括平板42、楔板43和透镜44，所述平板42、楔板43和透镜44由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。通过若干子投影物镜单元41沿非扫描方向拼接形成投影物镜模块4，从而在非扫描方向上拼接成连续大视场，每个子投影物镜单元41包括由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成的平板42、楔板43和透镜44排列而成，通过平板42、楔板43和透镜44的运动可以实现对子投影物镜单元41焦面、位置、倍率的调整来补偿掩膜6和基板7加工误差和形变对成像的影响，保证了大视场的成像质量，本发明结构简单，尺寸小，像差低，成像质量高。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种大视场曝光系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的光源、照明模块、掩模台、投影物镜模块和工件台，所述投影物镜模块由若干子投影物镜单元沿非扫描方向拼接而成，每个所述子投影物镜单元包括平板、楔板和透镜，所述平板、楔板和透镜由负折射率材料或在曝光波段折射率为负的材料制成。

2.根据权利要求1所述的大视场曝光系统，其特征在于，每个所述子投影物镜单元包括两个楔板、两个平板和两个透镜依次排列而成，其中两个所述楔板相对设置，两个所述透镜之间设有空气间隙。

3.根据权利要求1所述的大视场曝光系统，其特征在于，每个所述子投影物镜单元包括两个平板、三个透镜和两个楔板依次排列而成，其中三个所述透镜两两之间均设有空气间隙，两个所述楔板相对设置。

4.根据权利要求2或3所述的大视场曝光系统，其特征在于，两个所述楔板之间沿楔面方向相对运动以调节物面和像面的共轭距。

5.根据权利要求2或3所述的大视场曝光系统，其特征在于，其中一个所述楔板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的倍率，绕Z轴旋转以改变像面在Y方向的倾斜角度。

6.根据权利要求2或3所述的大视场曝光系统，其特征在于，两个所述平板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转以改变像面在X方向的水平位置。

7.根据权利要求2或3所述的大视场曝光系统，其特征在于，相邻两个所述透镜之间的空气间隙沿Z方向发生变化以改变子投影物镜单元的倍率。

8.根据权利要求1所述的大视场曝光系统，其特征在于，每个所述子投影物镜单元包括一侧为平面另一侧为球面的第一透镜、双侧均为球面的第二透镜、一面为球面另一面为楔形平面的第三透镜、楔板和平板依次排列而成。

9.根据权利要求8所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜相对一侧的球面的曲率半径对应，所述第二透镜和第三透镜相对一侧的球面的曲率半径对应。

10.根据权利要求9所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述第一透镜和第三透镜为平凸透镜或平凹透镜。

11.根据权利要求9所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述第二透镜为双凹透镜或双凸透镜或弯月透镜。

12.根据权利要求8所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜两两之间的空气间隙沿Z方向发生变化以改变子投影物镜单元的倍率。

13.根据权利要求8所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述楔板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的倍率，绕Z轴旋转以改变像面在Y方向的倾斜角度。

14.根据权利要求8所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述平板绕X轴旋转以改变像面在Y方向的水平位置，绕Y轴旋转以改变像面在X方向的水平位置。

15.根据权利要求1所述的大视场曝光系统，其特征在于，所述投影物镜模块的纵截面为矩形结构，所述矩形的高度D与物距d₁，像距d₂，负折射材料折射率n’及入射光半角θ₁之间的关系为