[实用新型]用于准分子激光微细加工的像方远心直写投影成像物镜

说明书

技术领域

本实用新型为一种用于准分子激光微细加工的像方远心直写投影成像物镜，它是一种将投射在掩模板上的准分子激光投影成像在被加工工件上进行直写的光学物镜，主要应用于准分子激光掩模直写投影微细加工，属于激光微细加工及其应用技术领域。 

背景技术

准分子激光微细加工的工件外形尺寸一般在几百微米至几十毫米之间，工件内部结构尺寸一般在几百纳米至几十微米之间，并且对工件外形尺寸和工件内部结构尺寸的精度要求都很高，一般为几十纳米至几微米之间，因此，对于准分子激光微细加工掩模直写投影成像系统来说，其中的投影成像物镜必须具有接近衍射极限的成像质量、达到几十纳米至几微米的分辨率和接近于零的畸变率。同时，为了保证微细加工的效果，并提高准分子激光的能量利用率，投影成像系统要求物镜的透过率接近于100％，这就要求投影成像物镜具有较为简单的结构，通常要求镜片个数越少越好，一般要求为6-8片，最佳要求为3-5片。同时由于准分子激光的单色性及特殊波长(248nm)，它的投影成像物镜不需要校正色差，但可用的透镜材料只有熔石英一种。因此，准分子激光微细加工用的投影成像物镜，需要合理选择物镜各个方面的参数，包括投影成像倍率、光圈数、视场、后截距等等，来矫正各种单色像差。 

目前，在准分子激光微细加工中，所使用的投影成像物镜在设计时，仅仅考虑轴上主光线在像方视场的垂直入射加工面的要求，没有考虑离轴主光线在像方视场的垂直入射加工面的要求，更没有考虑准分子激光发散角度的大小对主光线垂直入射加工面的影响，使得实际应用中，投影成像物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向光轴外略微偏移的情况。当上表面和下表面间的距离愈大时，这一向光轴外侧偏离的情况愈明显。当加工点愈远离光轴时，这一向光轴外侧偏离的情况愈明显。如图1所示。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于：在达到准分子激光微细加工用直写投影成像物镜各项指标要求的前提下，在投影成像物镜设计时，考虑入射掩模的准分子激光 发散角度对掩模后主光线角度的影响，并在投影成像物镜中引入像方远心结构，从而克服准分子激光微细加工用常规直写投影成像物镜的不足，使使用本实用新型设计的投影成像物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向光轴外略微偏移的情况得到明显改善。 

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。该直写投影成像物镜包括第一部分、第二部分和光阑。所述的第一部分包括第一透镜，第一透镜为双凸的透镜结构形式，所述的第二部分包括从左到右依次放置的第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述的第二透镜采用双凸的透镜结构形式，所述的第三透镜采用左凹右凸的透镜结构形式，所述的第四透镜采用双凸的透镜结构形式，所述的第五透镜采用左凸右凹的透镜结构形式，光阑放置在第一透镜和第二透镜之间。 

发散角度为θ的准分子激光经整形处理后照射在掩模上，通过设定归一化视场主光线发散角为对应的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，来消除准分子激光经掩模后主光线发散角度的实际值与理论设计值的差异。 

轴上视场主光线依次经过第一部分中的第一透镜第一面、第一透镜第二面后，与轴外视场主光线交于光轴上一点，该点亦为光阑所在位置，而后依次通过第二部分的第二透镜第一面、第二透镜第二面、第三透镜第一面、第三透镜第二面、第四透镜第一面、第四透镜第二面、第五透镜第一面、第五透镜第二面后，垂直入射工件加工上表面。 

轴外视场主光线与光轴成一角度发散，设定该角度的数值为对应归一化视场的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，轴外视场主光线依次经过第一部分中的第一透镜第一面、第一透镜第二面后，与轴上视场主光线交于光轴上一点，该点亦为光阑所在位置，而后依次通过第二部分的第二透镜第一面、第二透镜第二面、第三透镜第一面、第三透镜第二面、第四透镜第一面、第四透镜第二面、第五透镜第一面、第五透镜第二面后，垂直入射工件加工上表面。 

各视场边缘光线依次经过第一部分中的第一透镜第一面、第一透镜第二面、第二透镜第一面、第二透镜第二面、第三透镜第一面、第三透镜第二面、第四透镜第一面、第四透镜第二面、第五透镜第一面、第五透镜第二面后，与各自的主光线相交于工件加工上表面。 

本实用新型中，物方视场与像方视场成缩小比例；物方视场范围内，除轴 上主光线外，所有主光线以设定角度入射投影物面；像方视场范围内，所有主光线垂直入射成像像面；使用本实用新型加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向光轴外略微偏移的情况得到明显改善，如图2所示。