双高斯复杂化结构显微物镜设计

－　电子工业专用设备　光刻与刻蚀　双高斯复杂化结构显微物镜设计　刘会荣，李玉敏　（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１０１６０１）　摘　要：介绍了一种用于曝光机的对准显微物镜设计及结果分析，物镜采用共轭距无限远类型，　针对传统的用于照相的双高斯结构进行了复杂化设计，并对光学系统进行了优化，实现了长工作　距离、平场和长景深。　关键词：曝光机；对准显微物镜；共轭距无限远类型；双高斯结构　中图分类号：ＴＮ１６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—４５０７（２０１　１）ｏ５．００１３—０３　Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｇｓ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌ　Ｏｂｊ　ｅｃｔ　Ｌｅｎｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＬＩＵ　Ｊｉｎｒｏｎｇ，ＬＩ　Ｙｕｍｉｎ　（Ｔｈｅ　４５ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｏｒｔ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｆｏｒ　Ａｌｉｇｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｌｅｎｓ．　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｏｎ　Ｍａｓｋ　Ａｌｉｎｇｅｒ，ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ　ｉｎｆｉｎｉｔｙ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｙｐｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｌｅｎｓ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｏｕｂｌｅ　Ｇｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｆｏｒ　ｔａｋｉｎｇ　ｐｉｃｔｕｒｅｓ，ａ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａｌｓｏ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｆｌａｔ—ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ　ｓｃｅｎｅ　ｄｅｐｔｈ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｓｋ　Ａｌｉｎｇｅｒ；Ａｌｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｌｅｎｓ；Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ　ｉｎｆｉｎｉｔｙ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｔｙｐｅ；Ｄｏｕｂｌｅ　Ｇｓ　ｓｔｎ１ｃｔ１】ｒｅ　显微镜对准观察系统是半导体专用设备曝光　１显微系统的结构形式　机上的重要组成部分，显微镜的成像效果、清晰程　度直接影响设备的主要技术指标——对准精度。　显微物镜的性能指标直接影响设备的对准　曝光机在对准观察时要同时看清楚掩模版和基片　精度，此处光学系统是采用显微物镜后接ＣＣＤ　的图形，因此，要求显微物镜具有长工作距离和大　的形式，图像直接在显示器上显示。显微物镜倍　景深。以下显微镜对准观察系统是采用ＣＣＤ采集　率有２．５×、５×、１０×等多组不同倍率可换，并且　图像的模式，物镜自行研制，显示器显示图像，观　Ｘ、Ｙ、ｚ三个方向均伸缩可调，单支光路示意如图１　察直观快捷。　所示。　收稿日期：２０１１－０１—０４　光刻与刻蚀　电子工业董用设吝　■　图２中（ｂ）为双高斯基本结构，（ａ）中把光阑　提到整个镜组前面，这是为了配合其他几干叶ｔ倍率　物镜的光阑要求。在后一个负透镜中加入一胶合　面是为了校正色差的需要，胶合面两边玻璃的色　ＣＣＤ靶面　散不同，但折射率近似相等，对单色像差没仃影　响。为了改善物镜的成像质量，校正球差和色差，　把后面的正透镜用两个单透镜代替，并存后一个　单透镜中加入胶合面，以进　步校正全部色差。　在像差校正过程中，靠拉大后一胶合组中两种玻　璃的折射率差来使系统减少高级球差的产生。　图２（ａ）中从光阑后第一面起半径依次为ｒ　～　，辅助　物镜＼　＼　图１显微镜对准系统结构示意图　初级慧差系数５　的变化靠交换ｒ４、ｒ　的光焦度，　２显微物镜类型选定　因显微物镜有多种不同倍率，从结构可调性　及可互换性方面考虑，显微物镜采用共轭距无限　远类型，物镜和辅助物镜之间是平行光，Ｘ、Ｙ、　方　向的伸缩调动　会产生像差，不会影响成像像质。　物镜倍率按照和辅助物镜组合以后的倍率计算：　卢＝　物　增大ｒ　正值增大，增大ｒ　负值增大，这也是双高斯　的一个特点。ｒＲ、ｒｌｎ背向光阑，则增加初级像散系数　的负值，靠近光阑，则增加其正值。匹兹伐利Ｓ　则通过改变ｒ４、ｒ　来控制。优化后达到３　Ｓ　＝Ｓ　就比　较合适。结构中使用的玻璃都为一股常用玻璃，没　有特殊或是难加工玻璃，为整机节约了成本。　，辅助物镜采用一组胶合镜组，厂’辅助按　．ｎ　ｎ　（ｂ）一般双高斯结构　１８０　ｍｍ计算。　（ａ）复杂双高斯结构的１０Ｘ物镜　３　１０×显微物镜设计　１０×显微物镜数值孔径约为０．２５，工作距离　要求大于１５　ｍｍ，焦距由倍率公式可知厂’物为１８　ｍｍ。基于上述条件，数值孔径和工作距离要求　都是比较高的。　根据这些要求，选用一种双高斯复杂化结构，　如图２所示，双高斯结构通常用作照相物镜，尝试　把它用作显微镜物镜还是首次，在光学计算过程　图２双高斯物镜结构　在像差校正过程中发现，两个胶合组［｝１透镜　厚度变化对工作距离影响比较明显，通过改动其　厚度控制工作距离。经过像差平ｊ奥ｊ，最后设计结　果，数值孔径达到了０．２５，焦距为１　８　ｍｍ，Ｔ作　离为１７　ｍｍ完全满足使用要求，像差结果见表１。　焦深公式为：　△　一ｎ’　０　０　６２５＿（）．００８８　…～　．　中发现用作显微物镜可做到比常规类型显微物镜　工作距离长，数值孔径大。　球差：　由表１可知边缘球差６　Ｌ　＝０．００００８接近Ｊ　表１主要像差数据　Ｌ＝ｏ。　＿厂　＝１８　Ｍ　＝０．２５　ｌ　＝１７　１　５　Ｌ，　ＯＳＣ　６　Ｌ　１　０．００００８　０．０００００ｌ　０．０００００３　０　０．０００１２　０．７０７－０．００５６８　６　Ｌ　—０．０２０１５　—０．００５７２　６　Ｌ　—０．００３７３　０．００６４２　Ｘｔ　ｔ　—０．０００１　０　０．００１ｌ　０．０００６　一０．００ｌ２　—０．０００６　哟变　０．０３７５　Ｏ．Ｏ１８４　●　电子工业毫用设备　光刻与刻蚀　零，应用剩余球差公式应有：　６　Ｌ　ｓｎ≤６△＝０．０５２８　物镜近似为无像差系统。　而实际计算出６　Ｌ　也就是　６　Ｌ　㈣　０．００５６８大约为公差的１／１０。　４结束语　总的来说，双高斯复杂化的１０×显微物镜的　轴向色差应有：６　Ｌ　用≤△＝０．００８８　而实际计算出６　Ｌ　阳＝０．０００１２约为公差的１／７０　全视场正弦差：ＯＳＣ　＝０．０００００１远远小于经验公　差０．００２５　设计结果是比较好的，根据各像差的公差分析，制　作出来也是可行的，本文是对利用双高斯结构作　显微物镜的一些探索，为下一步更深入地探索提　供一些经验。　总的来说，这个系统的各类像差校正得非常　完美。　光学设计结果用调制传递函数（ＭＴＦ）评价，　以ＭＴＦ＞－０．４０为准，最终设计结果计算　时，　参考文献　［１］袁旭沧．光学设计［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，　１９８８．　所对应的频率（线对数／ｍｍ）数要达到：　＝ＮＡ／Ａ　（线对／ｍｍ）将ＮＡ和Ａ值代入公式，有　＝ＮＡ／Ａ　＝０．２５／０．０００５５－￣４５０（线对／ｍｍ）由最终计算结果　［２］　张以谟．应用光学【Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８４　［３］　钟锡华．现代光学基础【Ｍ］．北京：北京大学出版社，　２００３．　知，在ＭＴＦ＝０．４０时，各视场子午和弧矢两个方　向所对应的频率都达到或超过４５０线对／ｍｍ，本　—喜　．址—　．Ｌ．址．Ｓ　．址　．址—止．喜ｌ上　（上接第ｌ２页）　ＭＴＢＦ为设计输入平均无故障工作时间，　５０００　ｈ；　ＭＴＴＲ　为设计输出平均维修时间；　Ａ　为失效率　＝　：０．ｏ００２　ＭＴＢＦ￣为设计输出平均无故障工作时间；　ＭＴＴＲ　为设计输入平均维修时间，３０　ｍｉｎ；　表２系数计算分配值　表３计算结果　模块　序号　模块名称　复杂度　技术成熟　时间占　环境因　Ｋ．　度Ｋ２　空比Ｋ　素　评分原则　简一繁　成熟一不　小１大　好一差　—　评分　评分系　模块失　模块　模块　数　数Ｃ　效率　．　ＭＴＢＦ／ｈ　ＭＴＴＲ　／ｍｉｎ　名称　Ｋ１・　２・　０９　／∑　Ｃ　・Ａ　１／ａ　ＭＴＴＲ　Ａｉ　定位锁　计　・　—１０　成熟　１　定位锁定　机构　降机构　７　６　４　７　定机构　算　１１７６　０．５８３３３　１．１６７Ｅ．０４　８５７１　２４．２２５　２　掩模版升　６　５　４　７　式　掩模版升　降机构　８４０　Ｏ．４１６６６６　８．３３３Ｅ一０４　１２０００　２１．３７２　从计算结果来看，组成掩模版升降定位存取　机构的两个分部件的远大于设计输入的值；小于　设计输入的值，所以整体结构满足使用要求。　备中对掩模版传输和对准的可靠性安全性以及效　率等方面要求越来越严格，本文从对掩模版升降　定位存取机构的需求入手，对结构组成进行分析　设计，并对其性能进行了分析验证。　４结束语　作者简介：　掩模版升降定位存取机构是光刻设备的主要　马喜宝（１９６６一），男，甘肃灵台人，高级工程师，现就　功能模块之一，随着光刻集成电路的迅速发展，电　职于上海微高精密机械工程有限公司，先后从事中测设备　路集成度大大提高，工艺层大幅度增多，在光刻设　和投影光刻机的研究开发工作。　皿ｍ圈囫ＷＩ皿Ｕｌ（总第１９７期）（