DE1572697A1

DE1572697A1 - Gauss lens

Info

Publication number: DE1572697A1
Application number: DE19671572697
Authority: DE
Inventors: Tibbetts Raymond Eugene
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-11-14
Filing date: 1967-11-14
Publication date: 1970-05-14

Description

Gauss-Objektiv Die Erfindung betrifft ein hochkorrigiertes, siebenlinsiges Gauss-Objektiv.Gauss lens The invention relates to a highly corrected, seven-lens lens Gauss lens.

Bei allen hochwertigen Linsensystemen werden die bei jeder Abbildung mittels Linsen auftretenden Abbildungsfehler durch besondere Massnahmen möglichst weitgehend korrigiert.With all high-quality lens systems, the If possible, any imaging errors that occur due to lenses should be taken through special measures largely corrected.

Der zu einer sehr weitgehenden Korrektur von Abbildungsfehler erforderliche technische Aufwand ist so hoch, dass der Einsatz hochkorrigierter Linsensysteme nur in ganz bestimmten Fällen wirtschaftlich vertretbar erscheint. Mit der immer weiteren Verbreitung der Verwendung optischer Verfahren und Geräte in Wissenschaft und Technik, insbesondere auf. dem Gebiet der Mikrophotographie steigen die Anforderungen in bezug auf das Auflösungsvermögen und die Verzerrungsfreiheit der dabei verwendeten Linsensysteme immer mehr. Insbesondere bei der Herstellung von Photomasken für die Erzeugung von integrierten bei der tausende von Schaltungselementen auf einem Halbleiterplättchen mit einem Durch- messer von wenigen Millimetern durch auf photographischem Wege hergestellte Masken aufgebracht werden, sind die Anforderungen an das Auf-10 sungsvermögen und an die Fehlerfreiheit der verwendeten Objektive außerordentlich hoch. The technical effort required for a very extensive correction of imaging errors is so high that the use of highly corrected lens systems only appears economically justifiable in very specific cases. With the ever wider spread of the use of optical methods and devices in science and technology, in particular on. the area of the photomicrograph, the demands with respect to the resolution and lack of distortion of the lens systems used in this case, more and more. Be applied particularly in the manufacture of photomasks for the production of integrated in the thousands of circuit elements on a semiconductor wafer with a diameter of a few millimeters by produced photographically masks, the requirements are sungsvermögen to the upward 10 and that of the correctness lenses used extremely high.

Bei diesen Verfahren wird das mit den Schaltelementen zu versehende Halbleiterplattchen sunachat mit einem photoempfindlichen Lack überzogen, `der anschließend saht Hilfe einer bis zu einige tausend Ausnehmuagen aufweisenden Maske belichtet wird. Je nach dem angewendeten Verfahren werden die belichteten oder die nicht belichteten Bereiche des photoempfindlichen Lacks durch besondere Verfahrensschritte ent- fernt und die iretea Bereiche des Halbleiterplättchens einer besonderen Behandlung unterworfia oder zwecks Herstellung leitender Verbindungen satt leitenden Substanz« beschichtet. Dieses Verfahrens, nanalich das Aufbringen eines photoernpfindliehen Lacks. dessen Belichtung, die Entfernung der belichteten oder unbelichteten Bereiche und die Behandlung oder Beschichtung dieser Bereiche kann alters wiederholt werden,' um eine Schaltung seit einer Vielzahl gegebenenfalls unterschiedlicher Schalt- ele=nente und den erforderlichen Verbindungsleitungen herzustellen. Es bat sich gezeigt, daß dis Mailhaltigkeit der einzelnen Masken und die Einhaltung der richtigen Relativlagen der einzelnen, in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten zur Wirkung gebrachten Masken von ganz entscheidender Bedeutung für die Cualltllt der hergestellten integrierten Schaltuns lind. Bei der Herstellung der Masken sind sehr tut korrigierte Linsensysteme erforderlich. Ein oft verwendetes Verfahren zur ilerttellung der Masken besteht in der schrittweisen Belichtung einer Vielzahl von Bereichen einer photographischen Platte mittels einer im stark vergrößerten Maßstab erstellten Vorlage. Auch bei diesem Verfahren sind Objektive. die aber das gesamte in Frage kommende Bildläld eine sehr hobt und einheitliche Auflösung, ein außerordentlich ebe- nes Bildfeld und duterst geringe Bonale astigmatische Fehler aufweisen. von außerordentlicher Wichtigkeit. In this process, the semiconductor plate sunachat to be provided with the switching elements is coated with a photosensitive lacquer, which is then exposed with the aid of a mask with up to a few thousand openings. Depending on the method used, the exposed or the unexposed areas of the photosensitive resist by particular process steps corresponds removed and the iretea areas of the semiconductor wafer of a particular treatment or for the manufacture unterworfia conductive connections conductive substance "tired coated. This method nanalich applying a photoernpfindliehen varnish. its exposure, the removal of the exposed or unexposed areas and the treatment or coating of these areas can be repeated from time to time in order to produce a circuit with a large number of possibly different switching elements and the necessary connecting lines . It asked found that dis Mailhaltigkeit out the necessary forms and compliance lind the correct relative positions of the individual, placed in successive steps to effect masks of crucial importance for the Cualltllt the integrated Schaltuns produced. Corrected lens systems are very much required in the manufacture of the masks. A method which is often used to produce the masks consists in the step-by-step exposure of a large number of areas of a photographic plate by means of an original produced on a greatly enlarged scale. Lenses are also used in this process. but the entire candidate Bildläld a very HOBt and uniform resolution, an extremely EBE nes image field and duterst low Bonale astigmatic errors have. of paramount importance.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein für die obengenannten Zwecke besondere geeignetes Gauß-Objektiv ansngeben, das bei möglichst terin`em technischem Aufwand ein sehr großes, aber einen großen Bereich einheitliches Auflösungsvermögen, geringe Verserrungen und eine gleichmäßige Korrektion möglichst vieler Abbildungefehier im gesamten interessierenden Bereich aufweist.The invention is based on the task of specifying a Gaussian lens which is particularly suitable for the above-mentioned purposes and which, with as little technical effort as possible, has a very large but large area of uniform resolution, low distortion and a uniform correction of as many image errors as possible area of interest.

Diese Aufgabe wird gewta der Erfindung durch ein siebenlineiges Gauß- Objektiv gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dali das erste und das zweite Linsenelemeat jeweils als Meaiskus-SinglawLinsen ausSe- bildet sind, daß das dritte und das vierte sowie das fänfte und das eschste Linrenslement jeweils paarweise miteinander verkittet sind und jeweils eine:, M¢niskus-D»ubleeLinse bilden, und daß das siebte Linzeaelement als bikonvexe Liaae ausgebildet ist. Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren naher erläutert. Es zeigen: Fig. l: die echemstieche Darstellung eines hochkorrigierten Gauß- Objektive gema(l der vorliegenden Erfindung, Fig. 2: eine tabellarisebe Aufstellung der Konetruktionsdaten des in Fig. 1 dargestellten Objektive, Fig. 3,4.5: schematische Darstel:ungen der Modulations-Ubertragunge- " Funktion des Objektive nach Fig. 1, berechnet für den parauialen Bereich, d. h. für den in Achsennahe liegenden Teil des Bild.°eldoe, für das 0.-7 Feld und für das rolle Feld. In Fig. 1 wird ein besoaders vorteilhaften Ausführungebeispiel eines Objektivs gemig der Erfindung dargestellt, das@eben @inscelelementen besteht, die mit den Bezugsseihen I bis VII bezeichnet sind. Die Lin- sen I und 1I sind N#eniekus-Singlett-Linsen. Die Elemente III und IV sind miteinander verkittet und bildet eine k&niskus-boublett.Linae. die Ele- mente V und VI: sind ebenfalls miteinander verkittet und bilden eine Mttniskus-Doublett,Linse während das Linsenelemeat VII als Bi-Konvex- Linse ausgebildet ist. Die -Linsen sind auf der Achse 10 optisch ausge- richtet und haben bei einer zehnfachen Verkleinerung aber ein lineares Bildfeld von 3 mm Durchmesser eine effektive Brennweite von 16, 79 mm. Die Blende 12 hst eine Öffnüag von 3,74 nun Durchmesser bei f/1,8. Das in FiQ. 1 dargestellte Objekdsr ist durch folgende Beziehungen gekenn- zeichnet: .065F -c-- + R1 -@ .085F .IOOF' -@ Z1 @" .130F 1. 601r + 1.80s, . 005F 51 = . 020F * SzF @= + R3 -@ . 60F' .106F `= tz e# . 120F .921f `= + R4 1.04F .045F #== 82 @_ .020F . 34F + - R .40F . 140F <. t3 @; . 146F x. ZoF @- + R6 @. 3. 4oF .045F < t4 G @ 051F R . laF .@. + p. 7 xzF zs4F '` s .290F' . LIF - Re .@ . ~6F .04aF t5 .050F . 36F' .G- - R. c . 9 56F . 07ZF <- t6 ,# . 078F @:. . OzoF . . z6 1r - R10 G . 34F .005F 8 4 . $ 51i `-@ + R . 98F . I OOF @= t7 . 1 GOF' I1 . .$3F 'R12 .c #96F Dabei ist: F die effektive Brennweite der Linsengruppe (16, 79 mrn) bei 5461 X, R1 bis R12 die Radien der Linsenflächen, t1 bin t7 die Dicken derhinzolnen Linsen gemesadn entlang der Achse 10, S1 bis S4 die Abstände zwischen den Linnen I und II. II und 11I, IV und V sowie VI und VII gemessen auf der Achse 10. Eine besondere vorteilhafte Auegeataltung des in Fig. 1 dargestellten Objektivs ist durch die in der Tabelle nach Fig. 2 aufgeführten Daten gekennzeichnet. Die De -deutung von R, t und S ist diegleiche wie oben angegeben, während ND und V die Brechungsindizes und die abbeschen Zahlen der einzelnen Linsenelemente sind: Die Leistung des erfindungsgemäßen Objektive ist außerordentlich gut und reicht, wie aus den in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten Kurven ersichtlich, bei weiten für die angegebenen Zwecke aus. Fig. 3 stellt die i,#urve der Modulations-Ubertragungs-Funktion der Linsengruppe im laa°'.@_-=:Iez@ Bereich, d.h. im Bereich der Ach- se 1p dar. Fig. 4 stellt die Kurve der Modulations-Übertrag=gs-Funktion im. Bereich des 0, 7 Felds und Fig. 5 die Kurve der Modulations-Ubertragungn-Funktion im Bereich des ganzen Feldes dar. Fig. 6 stellt die Kurve-den Astigmatismus und Fia. 7 die Kurve der Verzerrung dar. Die Modulationr-Ubertragungs-Funktionen wurden für die Lindengruppe bei einer Brennweite von angenähert 17 mm und bei zehnfacher Ver- kleinerung berechnet, und beziehen sich auf ein lineares Bildfeld von 3 mm Durchmesser. Alle Berechnungen wurden bei einer Brennpunkteinstellung von 0. 0138 min vor der paraaxialgn Bildebene durchgeführt. Wie aus den dargestellten Kurven zu ersehen ist, ist die Leistung der ' Linsengruppe hervorragend ünd innerhalb einer Toleranz von 1 °%o über das ganze Feld einheitlich. Würde die Brechungsgrenze in der gleichen Darstellung wie das axiale Bündel (Fig. 3'-. dargestellt werden, so würde sie die berechneten Werte der Modulations-Übertragungs-Funktion Überlagern, Der Astigmatismus (Fig. 6) ist ebenfalls praktisch gleich Null, was aus der Übereinstimmung der Modulationswerte der sagittalen (sag) und der tangentialen (tang) Fächer. zu entnehmer ist. Das Maximum der berechneten Differenzen zwischen den sagittalen und den tangentialen Modulationswerten beträgt nur 0, 8% , während der Maximalwert des imaginären Teiles der fangentialen Werte hur 2, 1 jo beträgt. Dieser Wert ist deshalb unbedeutend , da er bei einer sele groben Frequenz, d. h.. bei nur ' 107 der Grenzfrequenz auftritt. Alle anderen Werte des imaginären Teils des tangentialen Fächers sind sehr klein und liegen in der Umgebung des Nullpunktes , was bedeutet, dass die durch das Feld hindurchtretenden Wellenfronten die gewünschte sphärische Form haben und ausserordentlich symmetrisch sind. Die Orte der Krümmungsmittelpunkte aller von der Bildebene ausgehenden Wellenfronten bilden die Bildebene und liegen in einem Bereich von + 0, 15 Mikron Dicke. Der Astigmatismus in dieser Bildebene = 0. 0138mm) wird in Fifi.. 6 dargestellt. Der sagittale Fächer (sag) ist im wesentlichen flach, während der tangentiale Fächer (taug) die für eine Gaui!-l.inee charakteristische rückläufige Hakenform aufweist, jedoch aetigmatische T' este von nur 0,1 Mikron aufweist, was in bezug auf den Schärfebereich von +4 Mikron ( 2, 4b1 X bei einer wirksamen numerischen Apertur von 0.£"" mm) gänzlach unbedeutend ist. Auf Grund der durch die Modulatlons-txbertragungt# funktionskurven dargestellten monochromatischen Norrektion und den oben angegebenen Astigmatismus ist die Handhabung einer mit diesem Objektfv ausgerüsteten verkleinernden Kamera auerordentlich leicht. Ebenso ist die Fehlerquote durch Abbildung zwischen elementaren Linien-Segmenten nahezu gleich Null. This object is Gewta the invention by a seven-line Gaussian Objectively solved, which is characterized by the first and dali the second lens element in each case as Meaiskus Singlaw lenses from forms are that the third and the fourth as well as the catch and that eschste Linrenslement are cemented to each other in pairs and in each case one:, M ¢ niscus-D »ubleeLinse form, and that the seventh Linzeaelement is designed as a biconvex Liaae. The invention will then be explained in more detail with reference to the figures. Show it: Fig. 1: the chemical representation of a highly corrected Gaussian Lenses according to the present invention, Fig. 2: a tabular list of the construction data of the Lenses shown in Fig. 1, Fig. 3, 4, 5: Schematic representations of the modulation transmissions " Function of the lens according to FIG. 1, calculated for the parauial area, ie for the area close to the axis Part of the picture. ° eldoe, for the 0.-7 field and for the roll Field. In Fig. 1 is a particularly advantageous embodiment of a Objectively shown gemig the invention, the @ just @inscelelements exists, which are designated with the reference series I to VII. The Lin- sen I and 1I are N # eniekus singlet lenses. The elements III and IV are cemented together and forms a k & niskus boublett.Linae. the ele- Elements V and VI: are also cemented together and form one Mttniskus doublet, lens while the lens element VII as a bi-convex Lens is formed. The lenses are optically designed on axis 10 aligned and have at a ten-fold reduction but a linear Image field of 3 mm diameter an effective focal length of 16.79 mm. The aperture 12 has an opening of 3.74 now diameter at f / 1.8. That in FiQ. 1 is identified by the following relationships draws: .065F -c-- + R1 - @ .085F .IOOF '- @ Z1 @ ".130F 1. 60 1r + 1.80s,. 005F 51 =. 020F * SzF @ = + R3 - @. 60F '.106F `= tz e # . 120F .921f `= + R4 1.04F .045F # == 8 2 @_ .020F . 34F + - R. 40F . 140F <. t3 @; . 146F x. ZoF @ - + R6 @. 3 . 4oF .045F < t4 G @ 051F R. . laF. @. + p. 7 xzF zs4F '' s .290F ' . LIF - Re . @ . ~ 6F .04aF t5 .050F . 36F ' .G- - R. c . 9 56F . 07 ZF <- t6 , # . 078F @ :. . OzoF. . z6 1r - R10 G. 34F .005F 8 4 . $ 51i `- @ + R. 98F . I OOF @ = t7 . 1 GOF ' I1 . . $ 3F 'R12 .c # 96F Here: F is the effective focal length of the lens group (16, 79 mm) at 5461 X, R1 to R12 the radii of the lens surfaces, t1 bin t7 the thicknesses of the lenses along the axis 10, S1 to S4 the distances between the lines I and II. II and 11I, IV and V, and VI and VII measured on the axis 10. A particularly advantageous Auegeataltung of the lens illustrated in FIG. 1 is characterized by the products listed in the table of Fig. 2 data. The interpretation of R, t and S is the same as given above, while ND and V are the refractive indices and the Abbe numbers of the individual lens elements: The performance of the objective according to the invention is extremely good and is sufficient, as can be seen in the FIG. 3 , 4 and 5 shown curves can be seen at wide for the purposes indicated. Fig. 3 represents the i, # curve of the modulation Ubertragungs function of the lens group in laa ° '_- = @.:. @ Iez range, ie se 1p is in the range of Ach Figure 4 illustrates the curve of the modulation. Carry = gs function in. Area of the 0.7 field and FIG. 5 shows the curve of the modulation transfer function in the area of the entire field. FIG. 6 shows the curve — the astigmatism and FIG. 7, the curve shows the distortion. The Modulationr-Ubertragungs functions were calculated for the Linde kleinerung group at a focal length of approximately 17 mm and at ten times encryption, and refer to a linear field of 3 mm diameter. All calculations were performed with a focus setting of 0.0138 min in front of the paraaxial image plane. As can be seen from the curves shown, the performance of the lens group is excellent and within a tolerance of 1%, it is uniform over the entire field. If the refractive limit were to be shown in the same representation as the axial bundle (Fig. 3'-., It would superimpose the calculated values of the modulation transfer function. The astigmatism (Fig. 6) is also practically zero, which is from the conformity of the modulation values of the sagittal (Sag) and tangential (tang) boxes. is extracting it. the maximum of calculated differences between the sagittal and the tangential modulation values is only 0, 8%, while the maximum value of the imaginary part of the fangentialen values Hur This value is insignificant because it occurs at a coarse frequency, i.e. at only ' 107 of the cut-off frequency. All other values of the imaginary part of the tangential fan are very small and are in the vicinity of the zero point, which means that the wave fronts passing through the field have the desired spherical shape and are extremely symmetrical Centers of curvature of all wavefronts emanating from the image plane form the image plane and lie in a range of + 0.15 microns thick. The astigmatism in this image plane = 0. 0138mm) is shown in Fig. 6. The sagittal compartments (sag) is substantially flat, while the tangential fan (Taug) the! -L.inee for a Gaui characteristic downward hook shape, but having aetigmatische T 'este of only 0.1 microns, which with respect to the Focus range of +4 microns (2, 4b1 X with an effective numerical aperture of 0. £ "" mm) is completely insignificant. Due to the by-Modulatlons txbertragungt # function curves illustrated monochromatic Norrektion and the astigmatism above the handling of an armed with this Objektfv decreasing camera is extraordinarily easy. Likewise, the error rate due to mapping between elementary line segments is almost zero.

Die Verzerrungen werden in Fig. T dargestellt. Bei einer Brennweite von angenähert 17 mm ist die maximale radiale Versetzung irgend- eines Punktes aus seiner räumlichen Soll-Lage kleiner als 0.08 Mikron. Die Korrektur des Objektire bleibt bei einem Wellenlängenband von 400 R irre wesenW ahen unverändert. The distortions are shown in Fig. T. At a focal length of approximately 17 mm, the maximum radial displacement is Somehow a point from its spatial target position less than 0:08 microns. The correction of the objective remains essentially unchanged at a wavelength band of 400 R.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Highly corrected GauB lens with steble lines. thereby ke = x indicates. that the first (I) and the second (1I) lens elements each designed as a meniscus singlet line , daQ `an third (III) and fourth (IV) as well as the fifth (Y) and that sixth (VI) lens element cemented to one another as a niskue doublet lenses are formed and that the seventh (YIi) Element consists of a biconvex line. x, highly corrected. reducing, from seven lens elementsn existing Gauiss lens according to claim 1, characterized in that be. that the following conditions apply

.065F Z + Al G. 085F .100 <# ti # - .130F 1.60 F 4 @ + Rx 1.80F .0051i ' C 81 .0z0F 52 71 + R .60 F .106g tz G. izoF . 9zi + R4 1. 04F, o05F 8z. ozor . 034b ' . + R5 . 40 1P .140F t3 .146F y2. ZOF @ = + R6 3.607 .045F t4 . 051F .18F @. + A7 G,. To ' . Z84F S3 . 2gOF . Z1 F - R8 . Z ('.045F `-t3 #, .050F .36 p ' <- R9 .56 F .072F - t6 .078F 26 F ' Z10 . 34 F. 005F 4 84 @. 020F # 85 F + R11 `@. g8F . 100F @ t7 `- .120F .83 F - RIZ @ .. .96F

where R1 to R 1 are the radius of curvature and tl to t7 are the Thickness of the lens elements 1 Ms 7 , where S1 is the ab- stand between the first and the second lens element, S ', the distance between the second and third line senelennent . 5 3 the distance between the fourth and the caught the lens element and S4 the distance between the sixth and the seventh lens element. 3. Iipch-corrected, reducing, made up of seven lens elements- th existing Gaussian lens according to claims 1 and 2, characterized in that the following relationships apply

Lins radius thickness t or ND `V Air gap (S) R lx +0. 7516F 1 t1. . 1191F R2 = 1.6909 9 @ # 4. 80 + I. 6954F S 1 s .0119F R3 @ +0. 5627F t: 2 @ . 1132F 1. 69099 54. 80 R '@ +0. 9872F SZ = .0119F @IxI! R @z -h0. 3711F tax, 1479F 1. 69099 54.80 I. R 6 @ +2, 8488F t4 @ . 0476F R7 # +0. 1982F S3 @ .2874F 1.72902 2 8 .38 RSa -0. ? -355F well .0476F 1.66470 (33.97 R9 @ -0.4611F t6s .0756Y I R10: -0. 2995F 54 a @ .0l 19F 1.69099 54. 80 R 1l ° +0 '9110F t7 @ . 1102F " R12e -0.9028 1.69099 54.80

where F is the effective drone width (1 6, 79rnni ) of the lens group at S461 Ä, R1 to R 1 @ ,, and t1 to t7 the curvature erase and the thicknesses of the line elements 1 to S, S1 to S4 the distances between the lens elements concerned and ND and Y are the refractive indices and the abbe numerals Represent ion of the individual I.ineenelements.