專利名稱：一種準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工大視場像方遠(yuǎn)心直寫投影物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為一種準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工大視場像方遠(yuǎn)心直寫投影物鏡，它是一種 將投射在掩模板上的準(zhǔn)分子激光投影成像在被加工工件上進行直寫的光學(xué)物鏡，主要應(yīng)用 于準(zhǔn)分子激光掩模直寫投影微細(xì)加工，屬于激光微細(xì)加工及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工的工件外形尺寸一般在幾百微米至幾十毫米之間，工件內(nèi)部 結(jié)構(gòu)尺寸一般在幾百納米至幾十微米之間，并且對工件外形尺寸和工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的精 度要求都很高，一般為幾十納米至幾微米之間，因此，對于準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工掩模直寫投 影成像系統(tǒng)來說，其中的投影成像物鏡必須具有接近衍射極限的成像質(zhì)量、達(dá)到幾十納米 至幾微米的分辨率和接近于零的畸變率。同時，為了保證微細(xì)加工的效果，并提高準(zhǔn)分子激 光的能量利用率，投影成像系統(tǒng)要求物鏡的透過率接近于100%，這就要求投影成像物鏡具 有較為簡單的結(jié)構(gòu)，通常要求鏡片個數(shù)越少越好，一般要求為6-8片，最佳要求為3-5片。同 時由于準(zhǔn)分子激光的單色性及特殊波長048nm)，它的投影成像物鏡不需要校正色差，但可 用的透鏡材料只有熔石英一種。因此，準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用的投影成像物鏡，需要合理選 擇物鏡各個方面的參數(shù)，包括投影成像倍率、光圈數(shù)、視場、后截距等等，來矯正各種單色像 差。目前，在準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工中，所使用的投影成像物鏡在設(shè)計時，僅僅考慮軸上 主光線在像方視場的垂直入射加工面的要求，沒有考慮離軸主光線在像方視場的垂直入射 加工面的要求，更沒有考慮準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度的大小對主光線垂直入射加工面的影響， 使得實際應(yīng)用中，投影成像物鏡加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于 上表面圖形向光軸外略微偏移的情況。當(dāng)上表面和下表面間的距離愈大時，這一向光軸外 側(cè)偏離的情況愈明顯。當(dāng)加工點愈遠(yuǎn)離光軸時，這一向光軸外側(cè)偏離的情況愈明顯。如圖1 所示。為了克服這一不足，出現(xiàn)了用于準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工的像方遠(yuǎn)心直寫投影成像物鏡， 該物鏡在達(dá)到準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用直寫投影成像物鏡各項指標(biāo)要求的前提下，在投影成 像物鏡設(shè)計時，考慮入射掩模的準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度對掩模后主光線角度的影響，并在投 影成像物鏡中引入像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，從而克服準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用常規(guī)直寫投影成像物鏡 的不足，使該物鏡加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于上表面圖形向 光軸外略微偏移的情況得到明顯改善。如圖2所示。然而，該投影成像物鏡的視場范圍較 小，通常為Φ 5mm至Φ 20mm，能夠滿足準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工在中小視場范圍內(nèi)的應(yīng)用要求， 并不能夠滿足準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工在大視場范圍內(nèi)的應(yīng)用要求，不適用于大視場范圍內(nèi)的 準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工，加工效率相對較低。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于在達(dá)到準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用直寫投影成像物鏡各項指 標(biāo)要求、保持加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于上表面圖形向光軸外略微偏移的情況得到明顯改善的前提下，在準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用的像方遠(yuǎn)心直寫投影 成像物鏡中，在光闌附近引入一片凹透鏡，從而擴大投影成像物鏡的視場范圍，使使用本實 用新型設(shè)計的投影成像物鏡加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于上 表面圖形向光軸外略微偏移的情況得到明顯改善，并且能夠適用于大視場范圍的準(zhǔn)分子激 光微細(xì)加工，提高準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工的效率。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。該直寫投影成像物鏡包括 第一部分、第二部分和光闌。所述的第一部分包括第一透鏡，第一透鏡為雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形 式，所述的第二部分包括從左到右依次放置的第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和 第六透鏡，所述的第二透鏡采用雙凹的透鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第三透鏡采用左凹右凸的透 鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第四透鏡采用左凸右凹的透鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第五透鏡采用雙凸的 透鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第六透鏡采用雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，光闌放置在第一透鏡和第二透 鏡之間，靠近第二透鏡。發(fā)散角度為θ的準(zhǔn)分子激光經(jīng)整形處理后照射在掩模上，通過設(shè)定歸一化視場 主光線發(fā)散角為對應(yīng)的歸一化因子乘以準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度θ，來消除準(zhǔn)分子激光經(jīng)掩模 后主光線發(fā)散角度的實際值與理論設(shè)計值的差異。軸上視場主光線16依次經(jīng)過第一部分中的第一透鏡第一面2、第一透鏡第二面3 后，與軸外視場主光線交于光軸1上一點，該點亦為光闌14所在位置，而后依次通過第二部 分的第二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透鏡第一面6、第三透鏡第二面7、第四透鏡 第一面8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、第五透鏡第二面11，第六透鏡第一面12， 第六透鏡第二面13后，垂直入射工件加工上表面。軸外視場主光線17與光軸1成一角度15發(fā)散，設(shè)定該角度的數(shù)值為對應(yīng)歸一化 視場的歸一化因子乘以準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度θ，軸外視場主光線依次經(jīng)過第一部分中的第 一透鏡第一面2、第一透鏡第二面3后，與軸上視場主光線交于光軸1上一點，該點亦為光 闌14所在位置，而后依次通過第二部分的第二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透鏡 第一面6、第三透鏡第二面7、第四透鏡第一面8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、第 五透鏡第二面11，第六透鏡第一面12，第六透鏡第二面13后，垂直入射工件加工上表面；其 中，第二透鏡在光路中對軸外視場主光線進行發(fā)散，擴大軸外視場主光線間的夾角，從而擴 大使用本實用新型設(shè)計的投影成像物鏡的物方視場范圍，提高準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工效率。各視場邊緣光線依次經(jīng)過第一部分中的第一透鏡第一面2、第一透鏡第二面3、第 二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透鏡第一面6、第三透鏡第二面7、第四透鏡第一面 8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、第五透鏡第二面11，第六透鏡第一面12，第六透 鏡第二面13后，與各自視場的主光線相交于工件加工上表面；其中，第二透鏡在光路中對 各視場邊緣光線進行發(fā)散，擴大各視場邊緣光線間的夾角，從而擴大使用本實用新型設(shè)計 的投影成像物鏡的物方視場范圍，提高準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工效率。本實用新型中，物方視場與像方視場成縮小比例；物方視場范圍內(nèi)，除軸上主光線 外，所有主光線以設(shè)定角度入射投影物面；像方視場范圍內(nèi)，所有主光線垂直入射成像像 面；使用本實用新型加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于上表面圖形 向光軸外略微偏移的情況得到明顯改善，如圖2所示，并且，使用本實用新型設(shè)計的投影成 像物鏡的物方視場范圍得到擴大，從而提高準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工的效率。[0011]本實用新型在投影成像物鏡設(shè)計時，考慮準(zhǔn)分子激光投射在掩模上以后，準(zhǔn)分子 激光發(fā)散角度對掩模后光線能量分布情況的影響，并根據(jù)影響情況，設(shè)置離軸主光線的角 度；在投影成像物鏡中引入像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，從而使離軸主光線在像方視場垂直于加工面入 射，克服準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用常規(guī)直寫物鏡的不足，使使用本實用新型設(shè)計的投影成像 物鏡加工出的工件在離軸加工區(qū)域出現(xiàn)工件下表面圖形相對于上表面圖形向光軸外略微 偏移的情況得到明顯改善；通過在投影成像物鏡中引入一片凹透鏡，對軸外視場主光線和 各視場邊緣光線進行發(fā)散，擴大軸外視場主光線間的夾角，同時擴大各視場邊緣光線間的 夾角，使使用本實用新型設(shè)計的投影成像物鏡的物方視場范圍得到擴大，可以達(dá)到Φ30πιπι 至Φ 60mm，從而提高準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工的效率。

圖1未采用本實用新型加工工件效果示意圖圖2采用像方遠(yuǎn)心直寫投影成像物鏡的加工工件效果示意圖圖3本實用新型投影成像物鏡第一部分結(jié)構(gòu)圖圖4本實用新型投影成像物鏡第二部分結(jié)構(gòu)圖圖5本實用新型投影成像物鏡結(jié)構(gòu)圖圖6本實用新型投影透鏡場曲曲線圖(單位微米)圖7本實用新型投影透鏡畸變曲線圖(單位百分比)圖中1、光軸；2、第一透鏡第一面；3、第一透鏡第二面；4、第二透鏡第一面；5、第 二透鏡第二面；6、第三透鏡第一面；7、第三透鏡第二面；8、第四透鏡第一面；9、第四透鏡第 二面；10、第五透鏡第一面；11、第五透鏡第二面；12、第六透鏡第一面；13、第六透鏡第二 面；14、光瀾；15、軸外視場主光線發(fā)散角；16、軸上視場主光線；17、軸外視場主光線；18、軸 上視場邊緣光線；19、離軸視場邊緣光線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明本實施例包括第一部分、第二部分和光闌，第一部分由一片熔石英透鏡構(gòu)成，采用 了雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。第二部分從左到右依次由五片熔石英透鏡構(gòu)成，分別 為第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡，第二透鏡采用雙凹的透鏡結(jié)構(gòu)形 式，第三透鏡采用左凹右凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，第四透鏡采用左凸右凹的透鏡結(jié)構(gòu)形式，第五 透鏡采用雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，第六透鏡采用雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。光闌放置 在第一透鏡和第二透鏡之間，靠近第二透鏡。軸上視場主光線16依次經(jīng)過直寫投影透鏡中第一部分的第一透鏡第一面2、第一 透鏡第二面3后，與軸外視場主光線交于光軸1上一點，該點亦為光闌14所在位置，而后依 次通過第二部分的第二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透鏡第一面6、第三透鏡第二 面7、第四透鏡第一面8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、第五透鏡第二面11、第六透 鏡第一面12、第六透鏡第二面13后，垂直入射工件加工上表面。軸外視場主光線17與光軸1成一角度15發(fā)散，軸外歸一化0. 5視場的主光線發(fā) 散角設(shè)定為0.5ΧΘ。，軸外歸一化0.707視場的主光線發(fā)散角設(shè)定為0.707X θ °，軸外歸一化1視場的主光線發(fā)散角為θ°，軸外視場主光線依次經(jīng)過直寫投影物鏡中第一部分 的第一透鏡第一面2、第一透鏡第二面3后，與軸上視場主光線交于光軸1上一點，該點亦為 光闌14所在位置，而后依次通過第二部分的第二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透 鏡第一面6、第三透鏡第二面7、第四透鏡第一面8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、 第五透鏡第二面11、第六透鏡第一面12、第六透鏡第二面13后，垂直入射工件加工上表面。各視場(軸上視場和軸外視場)邊緣光線18、19依次經(jīng)過直寫投影透鏡第一部分 中的第一透鏡第一面2、第一透鏡第二面3、第二透鏡第一面4、第二透鏡第二面5、第三透鏡 第一面6、第三透鏡第二面7、第四透鏡第一面8、第四透鏡第二面9、第五透鏡第一面10、第 五透鏡第二面11、第六透鏡第一面12、第六透鏡第二面13，與各自視場的主光線相交于工 件加工上表面。根據(jù)上述各視場主光線、邊緣光線入射直寫投影物鏡各個部分的關(guān)系，利用PW算 法對光學(xué)系統(tǒng)各參數(shù)進行數(shù)值求解，在求解過程中通過設(shè)定第一部分為薄透鏡、第二部分 為薄透鏡組合、掩模與第一部分間的距離和光闌與第一部分間的距離近似相等，第二透鏡 與光闌距離較近，對數(shù)值求解過程進行簡化，得到直寫投影透鏡的結(jié)構(gòu)初始值，如表1所 示，表1中的面數(shù)編號與圖5中的標(biāo)號對應(yīng)，將初始值帶入光線追跡類的光學(xué)設(shè)計優(yōu)化軟件 (如ZEMAX、Code V、0SL0、S0D88等)進行優(yōu)化，最終得到光學(xué)系統(tǒng)各個參數(shù)，如表2所示， 表2中的面數(shù)編號與圖5中的標(biāo)號對應(yīng)。最終得到的直寫投影物鏡場曲曲線圖如圖5所示，畸變曲線圖如圖6所示，賽德爾 系數(shù)表如表3所示，表3中的面數(shù)編號與圖5中的標(biāo)號對應(yīng)。表1直寫投影物鏡結(jié)構(gòu)初始值
權(quán)利要求1. 一種準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用的像方遠(yuǎn)心直寫投影成像物鏡，其特征在于包括第一 部分、第二部分和光闌，所述的第一部分包括第一透鏡，第一透鏡為雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式， 所述的第二部分包括從左到右依次放置的第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六 透鏡，所述的第二透鏡采用雙凹的透鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第三透鏡采用左凹右凸的透鏡結(jié) 構(gòu)形式，所述的第四透鏡采用左凸右凹的透鏡結(jié)構(gòu)形式，所述的第五透鏡采用雙凸的透鏡 結(jié)構(gòu)形式，所述的第六透鏡采用雙凸的透鏡結(jié)構(gòu)形式，光闌放置在第一透鏡和第二透鏡之 間，靠近第二透鏡；發(fā)散角度為θ的準(zhǔn)分子激光經(jīng)整形處理后照射在掩模上，通過設(shè)定歸一化視場主光 線發(fā)散角為對應(yīng)的歸一化因子乘以準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度θ，來消除準(zhǔn)分子激光經(jīng)掩模后主 光線發(fā)散角度的實際值與理論設(shè)計值的差異；軸上視場主光線(16)依次經(jīng)過第一部分中的第一透鏡第一面O)、第一透鏡第二面 (3)后，與軸外視場主光線交于光軸(1)上一點，該點亦為光闌(14)所在位置，而后依次通 過第二部分的第二透鏡第一面G)、第二透鏡第二面(5)、第三透鏡第一面(6)、第三透鏡第 二面(7)、第四透鏡第一面(8)、第四透鏡第二面(9)、第五透鏡第一面(10)、第五透鏡第二 面(11)，第六透鏡第一面(12)，第六透鏡第二面(1 后，垂直入射工件加工上表面；軸外視場主光線(17)與光軸(1)成一角度(1 發(fā)散，設(shè)定該角度的數(shù)值為對應(yīng)歸一 化視場的歸一化因子乘以準(zhǔn)分子激光發(fā)散角度θ，軸外視場主光線依次經(jīng)過第一部分中的 第一透鏡第一面O)、第一透鏡第二面C3)后，與軸上視場主光線交于光軸(1)上一點，該點 亦為光闌(14)所在位置，而后依次通過第二部分的第二透鏡第一面G)、第二透鏡第二面 (5)、第三透鏡第一面(6)、第三透鏡第二面(7)、第四透鏡第一面(8)、第四透鏡第二面(9)、 第五透鏡第一面(10)、第五透鏡第二面(11)，第六透鏡第一面(12)，第六透鏡第二面(13) 后，垂直入射工件加工上表面；各視場邊緣光線依次經(jīng)過第一部分中的第一透鏡第一面O)、第一透鏡第二面(3)、第 二透鏡第一面(4)、第二透鏡第二面( 、第三透鏡第一面(6)、第三透鏡第二面(7)、第四透 鏡第一面(8)、第四透鏡第二面(9)、第五透鏡第一面(10)、第五透鏡第二面(11)，第六透鏡 第一面(12)，第六透鏡第二面(1 后，與各自視場的主光線相交于工件加工上表面。
專利摘要本實用新型公開了一種準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工用的像方遠(yuǎn)心直寫投影成像物鏡，屬于激光微細(xì)加工及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。物方視場范圍內(nèi)，除軸上主光線，所有主光線以一定角度入射投影物面；像方視場范圍內(nèi)，所有主光線垂直入射成像像面。結(jié)構(gòu)為兩部分第一部分由一片雙凸透鏡構(gòu)成。第二部分由五片透鏡構(gòu)成第一片為雙凹透鏡，第二片為左凹右凸透鏡，第三片為左凸右凹透鏡，第四片為雙凸的透鏡，第五片為雙凸透鏡，兩部分之間放置光柵。本實用新型改善了直寫投影成像物鏡造成的被加工工件加工下表面圖形相對于上表面圖形向光軸外側(cè)偏離的情況，通過第二部分第二片透鏡對入射光線發(fā)散作用，擴大投影成像物鏡的物方視場范圍，提高了準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工效率。
文檔編號G02B13/22GK201903689SQ201020535668
公開日2011年7月20日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者左鐵釧, 王桐, 陳濤 申請人:北京工業(yè)大學(xué)