CN111123535A - 一种光学准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜；所述第一平凸透镜的光焦度为D1，所述第一弯月形凸透镜的光焦度为D2，所述第二弯月形凸透镜的光焦度为D3，所述第三弯月形凸透镜的光焦度为D4，所述第一双凸透镜的光焦度为D5；其中，D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，且min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}；min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值。合理设置物面与像面之间各凸透镜的形状和光焦度，保证光学准直系统对预设数值孔径和预设波长的光束的准直效果好。

Description

一种光学准直系统

技术领域

本发明实施例涉及光学设置技术领域，尤其涉及一种光学准直系统。

背景技术

光学光刻是光刻机用光学投影曝光的方法将掩模板上的电路器件结构图形刻蚀到硅片上的过程。光刻机主要由曝光光源、照明系统、掩模、光刻投影物镜以及硅片工件台五部分组成。为获取更高的光刻分辨率，要求曝光光源出射光的波长向深紫外甚至是极紫外波段发展，同时也要求光刻投影物镜需要具有高的数值孔径。因此，需要开发针对于深紫外入射光、高数值孔径投影光刻物镜的像差检测技术。

在投影物镜的偏振像差测试中，位于投影物镜像面的传感器模块起检验偏振态的作用。从投影物镜像面出射的光线具有高数值孔径，而偏振像差传感器中的偏振元件只有在平行光或小角度偏离平行的类平行光的条件下才能正常工作，因此需要一个光学元件能将发散光汇聚为平行光。

现有技术中的准直镜通常可以对数值孔径较小的可见光进行汇聚，但无法将高数值孔径的深紫外入射光汇聚为平行光。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学准直系统，以解决现有技术中无法将高数值孔径的深紫外入射光汇聚为平行光的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜；

所述第一平凸透镜的光焦度为D1，所述第一弯月形凸透镜的光焦度为D2，所述第二弯月形凸透镜的光焦度为D3，所述第三弯月形凸透镜的光焦度为D4，所述第一双凸透镜的光焦度为D5；

其中，D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，且min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}；min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值。

可选的，所述第一双凸透镜的光焦度D5与所述第三弯月形凸透镜的光焦度D4之间的差值满足第一预设条件；所述第三弯月形凸透镜的光焦度D4与所述第二弯月形凸透镜的光焦度D3之间的差值满足第二预设条件。

可选的，所述第一平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第一表面和远离所述物面一侧的第二表面，所述第一弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第三表面和远离所述物面一侧的第四表面，所述第二弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第五表面和远离所述物面一侧的第六表面，所述第三弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第七表面和远离所述物面一侧的第八表面，所述第一双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第九表面和远离所述物面一侧的第十表面；

其中，所述第一表面为平面；所述第二表面为超半球面，且所述第二表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面、所述第六表面、所述第七表面、所述第八表面、所述第九表面和所述第十表面为球面，且所述第五表面为齐明面，所述第十表面为所述光学准直系统的光阑面。

可选的，所述第一平凸透镜、所述第一弯月形凸透镜、所述第二弯月形凸透镜、所述第三弯月形凸透镜和所述第一双凸透镜的制备材料包括融石英。

第二方面，本发明实施例提供了一种光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第二平凸透镜、第四弯月形凸透镜、第五弯月形凸透镜和第二双凸透镜；

所述第二平凸透镜的光焦度为D6，所述第四弯月形凸透镜的光焦度为D7，所述第五弯月形凸透镜的光焦度为D8，所述第二双凸透镜的光焦度为D9；

其中，D6>0，D7>0，D8>0，D9>0，且min{D7，D8，D9}≤D6/6≤max{D7，D8，D9}；min{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最小值，max{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最大值。

可选的，所述第二双凸透镜的光焦度D9与所述第五弯月形凸透镜的光焦度D8之间的差值满足第三预设条件；所述第五弯月形凸透镜的光焦度D8与所述第四弯月形凸透镜的光焦度D7之间的差值满足第四预设条件|。

可选的，所述第二平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十一表面和远离所述物面一侧的第十二表面；所述第四弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十三表面和远离所述物面一侧的第十四表面，所述第五弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十五表面和远离所述物面一侧的第十六表面，所述第二双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十七表面和远离所述物面一侧的第十八表面；

其中，所述第十一表面为平面；所述第十二表面为超半球面，且所述第十二表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第十三表面、所述第十四表面、所述第十五表面、所述第十六表面、所述第十七表面和所述第十八表面为球面，所述第十八表面为所述光学准直系统的光阑面。

可选的，所述第二平凸透镜、所述第四弯月形凸透镜、所述第五弯月形凸透镜和所述第二双凸透镜的制备材料包括融石英。

第三方面，本发明实施例提供了一种光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第三平凸透镜、第六弯月形凸透镜和第三双凸透镜；

所述第三平凸透镜的光焦度为D10，所述第六弯月形凸透镜的光焦度为D11，所述第三双凸透镜的光焦度为D12；

其中，D10>0，D11>0，D12>0，且min{D11，D12}≤D10/4≤max{D11，D12}；min{D11，D12}表示D11和D12中的最小值，max{D11，D12}表示D11和D12中的最大值。

可选的，所述第三平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十九表面和远离所述物面一侧的第二十表面；所述第六弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第二十一表面和远离所述物面一侧的第二十二表面，所述第三双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第二十三表面和远离所述物面一侧的第二十四表面；

其中，所述第十九表面为平面；所述第二十表面为超半球面，且所述第二十表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第二十一表面、所述第二十二表面和所述第二十三表面为球面，所述第二十四表面为非球面，所述第二十四表面为所述光学准直系统的光阑面。

可选的，所述第三平凸透镜、所述第六弯月形凸透镜和所述第三双凸透镜的制备材料包括融石英。

可选的，所述预设数值孔径为NA，其中，NA>0；

所述预设波长为λ，其中，λ＝193.368nm。

本发明实施例提供的光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜；第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜以及第一双凸透镜的光焦度的光焦度均大于零，且第一平凸透镜D1、第二弯月形凸透镜的光焦度D3，第三弯月形凸透镜的光焦度D4以及第一双凸透镜的光焦度D5满足min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}。通过合理设置物面与像面之间各凸透镜的形状和光焦度，可以保证本发明实施例提供的光学准直系统对预设数值孔径和预设波长的光束的准直效果好。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光学准直系统的结构示意图；

图2为图1提供的光学准直系统的各个表面的低阶球差和低阶慧差的条状图；

图3为图1提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图；

图4为图1提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图；

图5为本发明实施例提供的另一种光学准直系统的结构示意图；

图6为图5提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图；

图7为图5提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图；

图8为本发明实施例提供的又一种光学准直系统的结构示意图；

图9为图8提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图；

图10为图8提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

现有技术中的准直镜通常仅可以对数值孔径较小(例如小于1)的可见光进行汇聚，但无法将高数值孔径的深紫外入射光汇聚为平行光。基于上述技术问题，本发明实施例提供一种光学准直系统，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜；所述第一平凸透镜的光焦度为D1，所述第一弯月形凸透镜的光焦度为D2，所述第二弯月形凸透镜的光焦度为D3，所述第三弯月形凸透镜的光焦度为D4，所述第一双凸透镜的光焦度为D5；其中，D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，且min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}；min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值。采用上述技术方案，通过合理设置物面与像面之间各凸透镜的形状和光焦度，可以保证本发明实施例提供的光学准直系统对预设数值孔径和预设波长的光束的准直效果好。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种光学准直系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL1可以用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜L1、第一弯月形凸透镜L2、第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5；

第一平凸透镜L1的光焦度为D1，第一弯月形凸透镜L2的光焦度为D2，第二弯月形凸透镜L3的光焦度为D3，第三弯月形凸透镜L4的光焦度为D4，第一双凸透镜L5的光焦度为D5；

其中，D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，且min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}；min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值。

如图1所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL1从物面到像面由五块镜片，分别为第一平凸透镜L1、第一弯月形凸透镜L2、第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5，第一平凸透镜L1、第一弯月形凸透镜L2、第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5都具有正光焦度，即D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，其中，光焦度可以表示镜片的有效焦距的倒数。同时，第一平凸透镜L1的光焦度D1、第二弯月形凸透镜L3的光焦度D3、第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4和第一双凸透镜L5的光焦度D5满足min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}，min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值，目的是为了消去第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5带来的球差，保证光学准直系统对入射光束的准直效果良好。

综上，本发明实施例提供的光学准直系统，通过在物面与像面之间依次设置第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜，同时设置第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜都具有正光焦度，且第一平凸透镜的光焦度D1、第二弯月形凸透镜的光焦度D3、第三弯月形凸透镜的光焦度D4和第一双凸透镜的光焦度D5满足min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}，保证本发明实施例提供的光学准直系统可以对预设数值孔径预计预设波长的入射光束进行良好的准直，保证出射至像面的光束的准直性良好，保证像方传感器中需要平行光入射的光学元件可以正常工作，保证像方传感器能精确测量光线通过投影物镜的像质。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL1可以应用于浸没投影物镜的情况，浸没液体可以为水，也可以为油，本发明实施例仅以浸没液体为水进行示例性说明。如图1所示，当浸没液体为水时，水可以作为虚拟镜片L0，为双平面透镜，物面的入射点光源位于虚拟镜片L0的表面S0，沿光轴的方向，即图1所示的Z方向，虚拟镜片L0和第一平凸透镜L1之间的距离很小，小于第一平凸透镜L1厚度的三千分之一，因此物面入射点光源也可以近似地认为在第一平凸透镜L1表面。

可选的，第一双凸透镜L5的光焦度D5与第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4之间的差值满足第一预设条件，其中第一预设条件可以为第一双凸透镜L5的光焦度D5与第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4之间的差值为零或者为接近零的较小数值；第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4与第二弯月形凸透镜L3的光焦度D3之间的差值满足第二预设条件，其中第二预设条件可以为第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4与第二弯月形凸透镜L3的光焦度D3之间的差值为零或者为接近零的较小数值。如此可以保证|D5-D4|≈|D4-D3|≈0，保证第二弯月形凸透镜L3的光焦度D3、第三弯月形凸透镜L4的光焦度D4和第一双凸透镜L5的光焦度D5均匀变化，保证第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5可以达到消除像差及均匀汇聚光线的效果。

可选的，第一平凸透镜L1包括靠近物面一侧的第一表面S1和远离物面一侧的第二表面S2，第一弯月形凸透镜L2包括靠近物面一侧的第三表面S3和远离物面一侧的第四表面S4，第二弯月形凸透镜L3包括靠近物面一侧的第五表面S5和远离物面一侧的第六表面S6，第三弯月形凸透镜L4包括靠近物面一侧的第七表面S7和远离物面一侧的第八表面S8，第一双凸透镜L5包括靠近物面一侧的第九表面S9和远离物面一侧的第十表面S10；其中，第一表面S1为平面；第二表面S2为超半球面，且第二表面S2为齐明面，超半球面包括半球面以及半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；第三表面S3、第四表面S4、第五表面S5、第六表面S6、第七表面S7、第八表面S8、第九表面S9和第十表面S10均为球面，且第五表面S5为齐明面，第十表面S10为光学准直系统的光阑面。

示例性的，继续参考图1所示，设置第一表面S1为平面，可以保证浸液水在第一表面S1自由流动，不产生像差。设置第二表面S2为超半球表面且为齐明面，保证第二表面S2产生的球差和慧差很小，几乎可以忽略不计，其中，超半球表面可以理解为半球表面以及半球表面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离后形成的外表面。设置第三表面S3、第四表面S4、第五表面S5、第六表面S6、第七表面S7、第八表面S8、第九表面S9和第十表面S10均为球面，且第五表面S5为齐明面，第十表面S10为光学准直系统的光阑面，可以保证各个表面对光线的汇聚效果良好，产生的球差和慧差可以忽略不计，保证光学准直系统的准直效果良好。

具体的，图2是图1提供的光学准直系统的各个表面的低阶球差和低阶慧差的条状图，横坐标表示各个镜面的表面序号，纵坐标表示像差系数。如图2所示，第一表面S1为平面，其不产生球差和慧差；第二表面S2为超半球表面且为齐明面，其各阶球差均较小且不产生慧差；第五表面S5为齐明面，其各阶球差均较小且不产生慧差；同时各个表面产生的球差和慧差值可以正负抵消，保证整个光学准直系统的球差和慧差较小，可以忽略不计，保证光学准直系统的准直效果良好。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL1中，预设数值孔径可以为NA，其中，NA>0；预设波长可以为λ，其中，λ＝193.368nm，即本发明实施例提供的光学准直系统可以采用波长为193.368纳米的深紫外光源，物方的数值孔径满足大数值孔径值，例如数值孔径NA可以为1.35，保证可以实现较高的光刻分辨率。

可选的，第一平凸透镜L1、第一弯月形凸透镜L2、第二弯月形凸透镜L3、第三弯月形凸透镜L4和第一双凸透镜L5的制备材料可以包括融石英，其折射率为1.5602，浸没液体可以为水，其折射率为1.436157。

表1示例性地给出了本发明实施例提供的如图1所述的光学准直系统CL1的每一个光学元件的参数值，其中，“序号”一栏表示从物面到像面之间每一个表面所对应的序号；“半径”一栏给出了每个表面的球面半径；“厚度/间距”一栏表示相邻表面之间的顶点距离，在镜片中该数值表示镜片的厚度；“材料”一栏给出了每个表面到下一表面之间的材料，这里以镜片的材料为融石英，浸没液体为水进行示例性说明。

表1

本发明实施例提供的光学准直系统采用波长为193.368纳米的光源，物方数值孔径NA＝1.35且采用表1所示的各个参数后，可以保证像方接收到的光束为平行光，在小视场范围内可以使平行光的准直度小于0.5°，物方有效焦距为5.0834mm，F数为0.37，F数被定义为物方的有效焦距与入射光瞳直径的比值。光学准直系统的总长为13.2mm，保证整个光学准直系统准直效果良好，同时整个光学准直系统结构紧凑，性能良好。

需要说明的是，表1仅示例性的提供了光学准直系统CL1中每一个光学元件的参数值，可以理解的是，当光学准直系统中每一个光学元件的参数值以表1所示的数值等比例缩放得到的参数值，也在本发明实施例的保护范围内。

图3为图1提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图，像方准直度被定义为像方的出射光和光轴(z轴)的夹角。如图3所示，像方的光线在子午线最边缘(+Y，-Y)和主光线的准直度的偏差随着物方高度的增加而变大，但是在物方高度20μm内准直度的最大偏差被控制在了0.25°内，具有较好的准直度。

图4为图1提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图，其中纵轴单位为mm，横坐标为沿着光瞳面的直径方向。从上至下的三个坐标依次对应于图1中的物面物高13μm，6.5μm和0μm。从图中可以看出，本发明实施例提供的光学准直系统在－59.6nm-+59.6nm(0.3个波长)内有较好的像质。

图5是本发明实施例提供的另一种光学准直系统的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL2可以用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第二平凸透镜L6、第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8和第二双凸透镜L9；

第二平凸透镜L6的光焦度为D6，第四弯月形凸透镜L7的光焦度为D7，第五弯月形凸透镜L8的光焦度为D8，第二双凸透镜L9的光焦度为D9；

其中，D6>0，D7>0，D8>0，D9>0，且min{D7，D8，D9}≤D6/6≤max{D7，D8，D9}；min{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最小值，max{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最大值。

如图5所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL2从物面到像面由四块镜片，分别为第二平凸透镜L6、第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8、和第二双凸透镜L9，第二平凸透镜L6、第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8和第二双凸透镜L9都具有正光焦度，即D6>0，D7>0，D8>0，D9>0。同时，第二平凸透镜L6的光焦度D6、第四弯月形凸透镜L7的光焦度D7、第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8和第二双凸透镜L9的光焦度D9满足min{D7，D8，D9}≤D6/6≤max{D7，D8，D9}；min{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最小值，max{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最大值，目的是为了消去第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8和第二双凸透镜L9带来的球差，保证光学准直系统对入射光束的准直效果良好。

综上，本发明实施例提供的光学准直系统，通过在物面与像面之间依次第二平凸透镜、第四弯月形凸透镜、第五弯月形凸透镜和第二双凸透镜，同时设置第二平凸透镜、第四弯月形凸透镜、第五弯月形凸透镜和第二双凸透镜都具有正光焦度，且第二平凸透镜L6的光焦度D6、第四弯月形凸透镜L7的光焦度D7、第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8和第二双凸透镜L9的光焦度D9满足min{D7，D8，D9}≤D6/6≤max{D7，D8，D9}，保证本发明实施例提供的光学准直系统可以对预设数值孔径以及预设波长的入射光束进行良好的准直，保证出射至像面的光束的具备良好的准直性，保证像方传感器中需要平行光入射的光学元件可以正常工作，保证像方传感器能精确测量光线通过投影物镜的像质。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL2可以应用于浸没投影物镜的情况，浸没液体可以为水，也可以为油，本发明实施例仅以浸没液体为水进行示例性说明。如图5所示，当浸没液体为水时，水可以作为虚拟镜片L0，为双平面透镜，物面的入射点光源位于虚拟镜片L0的表面S0，沿光轴的方向，即图5所示的Z方向，虚拟镜片L0和第二平凸透镜L6之间的距离很小，远小于第二平凸透镜L6的厚度，因此物面入射点光源也可以近似地认为在第二平凸透镜L6表面。

可选的，第二双凸透镜L9的光焦度D9与第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8之间的差值满足第三预设条件，其中第三预设条件可以为第二双凸透镜L9的光焦度D9与第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8之间的差值为零或者为接近零的较小数值；第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8与第四弯月形凸透镜L7的光焦度D7之间的差值满足第四预设条件，其中第四预设条件可以为第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8与第四弯月形凸透镜L7的光焦度D7之间的差值为零或者为接近零的较小数值，如此可以保证|D9-D8|≈|D8-D7|≈0，保证第四弯月形凸透镜L7的光焦度D7、第五弯月形凸透镜L8的光焦度D8和第二双凸透镜L9的光焦度D9均匀变化，保证第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8和第二双凸透镜L9可以达到消除像差及均匀汇聚光线的效果。

可选的，第二平凸透镜L6包括靠近物面一侧的第十一表面S11和远离物面一侧的第十二表面S12，第四弯月形凸透镜L7包括靠近物面一侧的第十三表面S13和远离物面一侧的第十四表面S14，第五弯月形凸透镜L8包括靠近物面一侧的第十五表面S15和远离物面一侧的第十六表面S16，第二双凸透镜L9包括靠近物面一侧的第十七表面S17和远离物面一侧的第十八表面S18；其中，第十一表面S11为平面；第十二表面S12为超半球面，且第十二表面S12为齐明面，超半球面包括半球面以及半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；第十三表面S13、第十四表面S14、第十五表面S15、第十六表面S16、第十七表面S17和第十八表面S18为球面，第十八表面S18为光学准直系统CL2的光阑面。

示例性的，继续参考图5所示，设置第十一表面S11为平面，可以保证浸液水在第十一表面S11自由流动，不产生像差。设置第十二表面S12为超半球表面且为齐明面，保证第十二表面S12产生的球差和慧差很小，几乎可以忽略不计，其中，超半球表面可以理解为半球表面以及半球表面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离后形成的外表面。设置第十三表面S13、第十四表面S14、第十五表面S15、第十六表面S16、第十七表面S17和第十八表面S18均为球面，第十八表面S18为光学准直系统CL2的光阑面，可以保证各个表面对光线的汇聚效果良好，产生的球差和慧差可以忽略不计，保证光学准直系统的准直效果良好。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL2中，预设数值孔径可以为NA，其中，NA>0；预设波长可以为λ，其中，λ＝193.368nm，即本发明实施例提供的光学准直系统可以采用波长为193.368纳米的深紫外光源，物方的数值孔径满足大数值孔径值，例如数值孔径NA可以为1.35，保证可以实现较高的光刻分辨率。

可选的，第二平凸透镜L6、第四弯月形凸透镜L7、第五弯月形凸透镜L8和第二双凸透镜L9的制备材料可以包括融石英，其折射率为1.5602，浸没液体可以为水，其折射率为1.436157。

表2示例性地给出了本发明实施例提供的如图5所述的光学准直系统CL2的每一个光学元件的参数值，其中，“序号”一栏表示从物面到像面之间每一个表面所对应的序号；“半径”一栏给出了每个表面的球面半径；“厚度/间距”一栏表示相邻表面之间的顶点距离，在镜片中该数值表示镜片的厚度；“材料”一栏给出了每个表面到下一表面之间的材料，这里以镜片的材料为融石英，浸没液体为水进行示例性说明。

表2

本发明实施例提供的光学准直系统采用波长为193.368纳米的光源，物方数值孔径NA＝1.35且采用表2所示的各个参数后，可以保证像方接收到的光束为平行光，物方有效焦距为4.8mm，F数为0.35，F数被定义为物方的有效焦距与入射光瞳直径的比值。光学准直系统的总长为11mm，保证整个光学准直系统准直效果良好，同时整个光学准直系统结构紧凑，性能良好。

需要说明的是，表2仅示例性的提供了光学准直系统CL2中每一个光学元件的参数值，可以理解的是，当光学准直系统中每一个光学元件的参数值以表2所示的数值等比例缩放得到的参数值，也在本发明实施例的保护范围内。

图6为图5提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图，像方准直度被定义为像方的出射光和光轴(z轴)的夹角。如图6所示，像方的光线在子午线正向边缘+Y和主光线的准直度的偏差随着物方高度的增加而变大，而在子午线负向边缘-Y的准直度的偏差随着物方高度的增加而减小，在物方高度20μm内准直度的最大偏差被控制在了0.36°内，具有较好的准直度。

图7为图5提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图，其中纵轴单位为mm，横坐标为沿着光瞳面的直径方向。从上至下的三个坐标依次对应于图5中的物面物高16μm，8μm和0μm。从图中可以看出，本发明实施例提供的光学准直系统的非边缘光线在如图7所示的三个视场中均有小于1个波长的像差，成像像质较好。

图8是本发明实施例提供的另一种光学准直系统的结构示意图，如图8所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL3可以用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第三平凸透镜L10、第六弯月形凸透镜L11和第三双凸透镜L12；

第三平凸透镜L10的光焦度为D10，第六弯月形凸透镜L11的光焦度为D11，第三双凸透镜L12的光焦度为D12；

其中，D10>0，D11>0，D12>0，且min{D11，D12}≤D10/4≤max{D11，D12}；min{D11，D12}表示D11和D12中的最小值，max{D11，D12}表示D11和D12中的最大值。

如图8所示，本发明实施例提供的光学准直系统CL3从物面到像面由三块镜片，分别为第三平凸透镜L10、第六弯月形凸透镜L11和第三双凸透镜L12，第三平凸透镜L10、第六弯月形凸透镜L11和第三双凸透镜L12都具有正光焦度，即D10>0，D11>0，D12>0。同时，第三平凸透镜L10的光焦度D10、第六弯月形凸透镜L11的光焦度D11和第三双凸透镜L12的光焦度D12满足min{D11，D12}≤D10/4≤max{D11，D12}；min{D11，D12}表示D11和D12中的最小值，max{D11，D12}表示D11和D12中的最大值，目的是为了消去第六弯月形凸透镜L11和第三双凸透镜L12带来的球差，保证光学准直系统对入射光束的准直效果良好。

综上，本发明实施例提供的光学准直系统，通过在物面与像面之间依次第三平凸透镜、第六弯月形凸透镜和第三双凸透镜，同时设置第三平凸透镜、第六弯月形凸透镜和第三双凸透镜都具有正光焦度，且第三平凸透镜L10的光焦度D10、第六弯月形凸透镜L11的光焦度D11和第三双凸透镜L12的光焦度D12满足min{D11，D12}≤D10/4≤max{D11，D12}，保证本发明实施例提供的光学准直系统可以对预设数值孔径以及预设波长的入射光束进行良好的准直，保证出射至像面的光束的具备良好的准直性，保证像方传感器中需要平行光入射的光学元件可以正常工作，保证像方传感器能精确测量光线通过投影物镜的像质。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL3可以应用于浸没投影物镜的情况，浸没液体可以为水，也可以为油，本发明实施例仅以浸没液体为水进行示例性说明。如图8所示，当浸没液体为水时，水可以作为虚拟镜片L0，为双平面透镜，物面的入射点光源位于虚拟镜片L0的表面S0，沿光轴的方向，即图8所示的Z方向，虚拟镜片L0和第三平凸透镜L10之间的距离很小，远小于第三平凸透镜L10的厚度，因此物面入射点光源也可以近似地认为在第三平凸透镜L10表面。

可选的，第三平凸透镜L10包括靠近物面一侧的第十九表面S19和远离物面一侧的第二十表面S20，第六弯月形凸透镜L11包括靠近物面一侧的第二十一表面S21和远离物面一侧的第二十二表面S22，第三双凸透镜L12包括靠近物面一侧的第二十三表面S23和远离物面一侧的第二十四表面S24；其中，第十九表面S19为平面；第二十表面S20为超半球面，且第二十表面S20为齐明面，超半球面包括半球面以及半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；第二十一表面S21、第二十二表面S22和第二十三表面S23为球面，第二十四表面S24为非球面，第二十四表面S24为光学准直系统CL3的光阑面。

示例性的，继续参考图8所示，设置第十九表面S19为平面，可以保证浸液水在第十九表面S19自由流动，不产生像差。设置第二十表面S20为超半球表面且为齐明面，保证第二十表面S20产生的球差和慧差很小，几乎可以忽略不计，其中，超半球表面可以理解为半球表面以及半球表面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离后形成的外表面。设置第二十一表面S21、第二十二表面S22和第二十三表面S23均为球面，第二十四表面S24为非球面，第二十四表面S24为光学准直系统CL3的光阑面，可以保证各个表面对光线的汇聚效果良好，产生的球差和慧差可以忽略不计，保证光学准直系统的准直效果良好。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL3中的光阑面(S24)为非球面，第二十四表面S24可以用下述公式来描述：

其中，P是拱高函数，h是镜片上的点到光轴的高度，K和C1至Cn是非球面项系数，R是最高点半径。

可选的，本发明实施例提供的光学准直系统CL3中，预设数值孔径可以为NA，其中，NA>0；预设波长可以为λ，其中，λ＝193.368nm，即本发明实施例提供的光学准直系统可以采用波长为193.368纳米的深紫外光源，物方的数值孔径满足大数值孔径值，例如数值孔径NA可以为1.35，保证可以实现较高的光刻分辨率。

可选的，第三平凸透镜L10、第六弯月形凸透镜L11和第三双凸透镜L12的制备材料可以包括融石英，其折射率为1.5602，浸没液体可以为水，其折射率为1.436157。

表3示例性地给出了本发明实施例提供的如图8所述的光学准直系统CL3的每一个光学元件的参数值，其中，“序号”一栏表示从物面到像面之间每一个表面所对应的序号；“半径”一栏给出了每个表面的球面半径；“厚度/间距”一栏表示相邻表面之间的顶点距离，在镜片中该数值表示镜片的厚度；“材料”一栏给出了每个表面到下一表面之间的材料，这里以镜片的材料为融石英，浸没液体为水进行示例性说明。

表3

本发明实施例提供的光学准直系统采用波长为193.368纳米的光源，物方数值孔径NA＝1.35且采用表3所示的各个参数后，可以保证像方接收到的光束为平行光，物方有效焦距为4.8mm，F数为0.37，F数被定义为物方的有效焦距与入射光瞳直径的比值。光学准直系统的总长为12mm，保证整个光学准直系统准直效果良好，同时整个光学准直系统结构紧凑，性能良好。

需要说明的是，表3仅示例性的提供了光学准直系统CL3中每一个光学元件的参数值，可以理解的是，当光学准直系统中每一个光学元件的参数值以表3所示的数值等比例缩放得到的参数值，也在本发明实施例的保护范围内。

图9为图8提供的光学准直系统的像方准直度随物方高度变化的关系示意图，像方准直度被定义为像方的出射光和光轴(z轴)的夹角。如图9所示，像方的光线在子午线最边缘(+Y，-Y)和主光线的准直度的偏差随着物方高度的增加而变大，但是在物方高度20μm内准直度的最大偏差被控制在了0.25°内，具有较好的准直度。

图10为图8提供的光学准直系统在沿着xy平面翻转后得到的光线像差曲线示例图，其中纵轴单位为mm，横坐标为沿着光瞳面的直径方向。从上至下的三个坐标依次对应于图8中的物面物高16μm，8μm和0μm。从图中可以看出，本发明实施例提供的光学准直系统在在－22.7nm-+22.7nm(0.12个波长)内有较好的像质。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种光学准直系统，其特征在于，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第一平凸透镜、第一弯月形凸透镜、第二弯月形凸透镜、第三弯月形凸透镜和第一双凸透镜；

所述第一平凸透镜的光焦度为D1，所述第一弯月形凸透镜的光焦度为D2，所述第二弯月形凸透镜的光焦度为D3，所述第三弯月形凸透镜的光焦度为D4，所述第一双凸透镜的光焦度为D5；

其中，D1>0，D2>0，D3>0，D4>0，D5>0，且min{D3，D4，D5}≤D1/10.5≤max{D3，D4，D5}；min{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最小值，max{D3，D4，D5}表示D3、D4和D5中的最大值。

2.根据权利要求1所述的光学准直系统，其特征在于，所述第一双凸透镜的光焦度D5与所述第三弯月形凸透镜的光焦度D4之间的差值满足第一预设条件；所述第三弯月形凸透镜的光焦度D4与所述第二弯月形凸透镜的光焦度D3之间的差值满足第二预设条件。

3.根据权利要求1所述的光学准直系统，其特征在于，所述第一平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第一表面和远离所述物面一侧的第二表面，所述第一弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第三表面和远离所述物面一侧的第四表面，所述第二弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第五表面和远离所述物面一侧的第六表面，所述第三弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第七表面和远离所述物面一侧的第八表面，所述第一双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第九表面和远离所述物面一侧的第十表面；

其中，所述第一表面为平面；所述第二表面为超半球面，且所述第二表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第三表面、所述第四表面、所述第五表面、所述第六表面、所述第七表面、所述第八表面、所述第九表面和所述第十表面为球面，且所述第五表面为齐明面，所述第十表面为所述光学准直系统的光阑面。

4.根据权利要求1所述的光学准直系统，其特征在于，所述第一平凸透镜、所述第一弯月形凸透镜、所述第二弯月形凸透镜、所述第三弯月形凸透镜和所述第一双凸透镜的制备材料包括融石英。

5.一种光学准直系统，其特征在于，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第二平凸透镜、第四弯月形凸透镜、第五弯月形凸透镜和第二双凸透镜；

所述第二平凸透镜的光焦度为D6，所述第四弯月形凸透镜的光焦度为D7，所述第五弯月形凸透镜的光焦度为D8，所述第二双凸透镜的光焦度为D9；

其中，D6>0，D7>0，D8>0，D9>0，且min{D7，D8，D9}≤D6/6≤max{D7，D8，D9}；min{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最小值，max{D7，D8，D9}表示D7、D8和D9中的最大值。

6.根据权利要求5所述的光学准直系统，其特征在于，所述第二双凸透镜的光焦度D9与所述第五弯月形凸透镜的光焦度D8之间的差值满足第三预设条件；所述第五弯月形凸透镜的光焦度D8与所述第四弯月形凸透镜的光焦度D7之间的差值满足第四预设条件。

7.根据权利要求6所述的光学准直系统，其特征在于，所述第二平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十一表面和远离所述物面一侧的第十二表面；所述第四弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十三表面和远离所述物面一侧的第十四表面，所述第五弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十五表面和远离所述物面一侧的第十六表面，所述第二双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十七表面和远离所述物面一侧的第十八表面；

其中，所述第十一表面为平面；所述第十二表面为超半球面，且所述第十二表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第十三表面、所述第十四表面、所述第十五表面、所述第十六表面、所述第十七表面和所述第十八表面为球面，所述第十八表面为所述光学准直系统的光阑面。

8.根据权利要求5所述的光学准直系统，其特征在于，所述第二平凸透镜、所述第四弯月形凸透镜、所述第五弯月形凸透镜和所述第二双凸透镜的制备材料包括融石英。

9.一种光学准直系统，其特征在于，用于对预设数值孔径和预设波长的光束进行准直操作，包括依次位于物面一侧的第三平凸透镜、第六弯月形凸透镜和第三双凸透镜；

所述第三平凸透镜的光焦度为D10，所述第六弯月形凸透镜的光焦度为D11，所述第三双凸透镜的光焦度为D12；

其中，D10>0，D11>0，D12>0，且min{D11，D12}≤D10/4≤max{D11，D12}；min{D11，D12}表示D11和D12中的最小值，max{D11，D12}表示D11和D12中的最大值。

10.根据权利要求9所述的光学准直系统，其特征在于，所述第三平凸透镜包括靠近所述物面一侧的第十九表面和远离所述物面一侧的第二十表面；所述第六弯月形凸透镜包括靠近所述物面一侧的第二十一表面和远离所述物面一侧的第二十二表面，所述第三双凸透镜包括靠近所述物面一侧的第二十三表面和远离所述物面一侧的第二十四表面；

其中，所述第十九表面为平面；所述第二十表面为超半球面，且所述第二十表面为齐明面，超半球面包括半球面以及所述半球面的两个端点在光轴方向上延伸预设距离形成的外表面；所述第二十一表面、所述第二十二表面和所述第二十三表面为球面，所述第二十四表面为非球面，所述第二十四表面为所述光学准直系统的光阑面。

11.根据权利要求9所述的光学准直系统，其特征在于，所述第三平凸透镜、所述第六弯月形凸透镜和所述第三双凸透镜的制备材料包括融石英。

12.根据权利要求1-11任一项所述的光学准直系统，其特征在于，所述预设数值孔径为NA，其中，NA>0；

所述预设波长为λ，其中，λ＝193.368nm。

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