用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头转让专利
申请号 : CN200910028297.1
文献号 : CN101510053B
文献日 : 2010-10-20
发明人 : 浦东林 , 陈林森 , 魏国军 , 周小红
申请人 : 苏州大学 , 苏州苏大维格光电科技股份有限公司
摘要 :
本发明公开了一种用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，其特征在于：由物方透镜组A和像方透镜组B两组透镜组成，A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成；光线传播方向依次为A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜。本发明的像方透镜采用四片结构设计，因而其数值孔径大，干涉条纹的结构精细；限定物方数值孔径，可以减少透镜数量，降低实际加工的累积工艺误差，并且便于与干涉镜头物方的衍射光栅配合；可以在激光干涉直写系统上实现亚波长结构的制作。
权利要求 :
1.一种用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，其特征在于：由物方透镜组A和像方透镜组B两组透镜组成，两组透镜构成双远心光学系统，两组透镜之间的距离可改变，A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成；光线传播方向依次为A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜，A1的凹面朝向物侧，B1的凹面朝向像侧，B3、B4的凹面朝向像侧，A3的凹面朝向物侧。
2.根据权利要求1所述的用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，其特征在于：物方数值孔径范围为0.15～0.35，像方数值孔径范围为0.45～0.55。
3.根据权利要求2所述的用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，其特征在于：物方数值孔径为0.34，像方数值孔径为0.46。
4.根据权利要求1所述的用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，其特征在于：镜头口径为30～33毫米。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种干涉光学元器件，具体涉及一种采用激光干涉法制作亚微米结构的光学镜头的结构，属于微纳米结构制造领域。
背景技术
亚波长光学是当前研究的热点，亚波长光学器件由于其微结构在亚波长尺度(50-400nm)，表现出了一般衍射光学元件所不具备的光学特性，如光谱窄带、偏振、导光、表面抗反射等特性，亚波长结构在提高OLED光抽取效率方便具有应用价值。对可见光而言，亚波长结构一般具有400nm以下的尺度，需要采用超微细加工手段才能够实现，最典型的方法是电子束直写光刻(e-beam lithography)和微缩投影光刻(UV Projection lithography)。
采用e-beam可制作50-400nm亚波长结构，但是，制作5mm×5mm面积的图形，一般需要数个小时，同时，对工作环境稳定性有很严格的要求。如果要在100mm×100mm整幅面上制作100nm结构，则需要至少是一天以上的扫描时间，这大大超出了可以应用的基本要求。
采用激光直写系统，一般只能制作大于1000n m以上的微结构，在目前条件下，不可能制作亚微米结构图形。
激光全息干涉法是制作具有周期结构亚波长光学器件的有效方法，干涉产生的周期结构大小与激光波长成正比，与干涉角度的正弦成反比，波长越短、干涉夹角越大，产生的周期结构越精细。全息干涉法与电子束直写等其他微细加工手段相比，具有并行快速制作的优势，尤其对于制作周期结构，干涉法产生的结构不受机械精度的影响，从而具有严格周期性，这一特点是其他技术手段不可替代的。
传统的全息实验平台上进行干涉制作，在制作灵活性上具有相当大的局限性，而激光干涉直写系统(中国发明专利，衍射光变图像的高速激光直写方法和系统ZL200510095775.2)，采用点阵干涉的方式制作，干涉条纹的空频、取向可程序控制，兼顾了全息法的并行性和直写法的灵活性的优点，所以，在数字化的激光干涉直写系统的基础上，研发用于制作亚波长结构的制作技术，获得支持亚波长结构的干涉光学头，对于制作大幅面周期性亚波长结构，具有重大的研究和应用价值。
采用e-beam可制作50-400nm亚波长结构，但是，制作5mm×5mm面积的图形，一般需要数个小时，同时，对工作环境稳定性有很严格的要求。如果要在100mm×100mm整幅面上制作100nm结构，则需要至少是一天以上的扫描时间，这大大超出了可以应用的基本要求。
采用激光直写系统，一般只能制作大于1000n m以上的微结构，在目前条件下，不可能制作亚微米结构图形。
激光全息干涉法是制作具有周期结构亚波长光学器件的有效方法，干涉产生的周期结构大小与激光波长成正比，与干涉角度的正弦成反比，波长越短、干涉夹角越大，产生的周期结构越精细。全息干涉法与电子束直写等其他微细加工手段相比，具有并行快速制作的优势，尤其对于制作周期结构，干涉法产生的结构不受机械精度的影响，从而具有严格周期性，这一特点是其他技术手段不可替代的。
传统的全息实验平台上进行干涉制作，在制作灵活性上具有相当大的局限性，而激光干涉直写系统(中国发明专利，衍射光变图像的高速激光直写方法和系统ZL200510095775.2)，采用点阵干涉的方式制作，干涉条纹的空频、取向可程序控制，兼顾了全息法的并行性和直写法的灵活性的优点，所以，在数字化的激光干涉直写系统的基础上，研发用于制作亚波长结构的制作技术，获得支持亚波长结构的干涉光学头，对于制作大幅面周期性亚波长结构，具有重大的研究和应用价值。
发明内容
本发明目的是提供一种可以在激光干涉直写系统上实现亚波长结构的制作的干涉镜头，适用于紫外激光干涉光刻。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，由物方透镜组A和像方透镜组B两组透镜组成，A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成；光线传播方向依次为A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜。
上文中，为适用于紫外激光干涉光刻，采用的光学材料为在波长在紫外波段具有高透射率的紫外光学材料，优选采用在紫外波段具有高透射率的熔石英(SILICA)；其适用于200～400纳米的紫外光，设计时，可以根据355nm波长激光优化设计，其近轴成像参数不受透镜组A和透镜组B之间的间隔C距离的影响。
上述技术方案中，物方(A)数值孔径范围为0.15～0.35，像方(B)数值孔径范围为0.45～0.55。
优选的技术方案，物方(A)数值孔径为0.34，像方(B)的数值孔径为0.46，工作距离21.247毫米。
上述技术方案中，镜头口径为30～33毫米。
激光干涉直写设备的光学头可以采用衍射光栅对激光束进行分束，正负一级衍射光进入光学透镜组后在工件表面聚焦成像并在光斑内形成干涉条纹。如附图1所示，虚线框部分是用于干涉的光学镜头。
在干涉光学头中，要将干涉条纹的分辨率(空间频率)提高到亚微米线度，考虑采用更短的波长、设计更大数值孔径的透镜组，同时采用支持短波长的光学材料。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明采用双远心光路原理设计干涉镜头，由A、B两组透镜组合构成干涉镜头，两组透镜之间的光线是平行光，两组透镜之间的距离改变时，镜头的工作距离保持恒定、近轴放大率保持恒定，满足调焦的要求；采用透紫外光的熔石英光学材料，折射率为1.458，在200纳米到400纳米紫外光波段具有高的透过率，由于只需要在单波长下进行设计，所以采用一种光学材料就可以满足设计要求。
2.本发明的像方透镜采用四片结构设计，因而其数值孔径(NA)大，相干激光束能够产生的干涉角越大，干涉条纹的结构越精细，当数值孔径达到0.45时，355纳米波长激光在工件表面的最大干涉角达到53.5度，产生条纹最小周期400纳米，特征结构达到200纳米。
3.本发明的干涉头的物方没有光线夹角的要求，限定物方数值孔径在0.15～0.35之间，因而可以减少透镜数量，降低实际加工的累积工艺误差，并且便于与干涉镜头物方的衍射光栅配合。
4.本发明通过对两组透镜组中各透镜的形状配合关系的设定，可以降低像差，提高成像质量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于紫外激光干涉光刻直写系统的光学镜头，由物方透镜组A和像方透镜组B两组透镜组成，A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成；光线传播方向依次为A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜。
上文中，为适用于紫外激光干涉光刻，采用的光学材料为在波长在紫外波段具有高透射率的紫外光学材料，优选采用在紫外波段具有高透射率的熔石英(SILICA)；其适用于200～400纳米的紫外光，设计时，可以根据355nm波长激光优化设计，其近轴成像参数不受透镜组A和透镜组B之间的间隔C距离的影响。
上述技术方案中，物方(A)数值孔径范围为0.15～0.35，像方(B)数值孔径范围为0.45～0.55。
优选的技术方案，物方(A)数值孔径为0.34，像方(B)的数值孔径为0.46，工作距离21.247毫米。
上述技术方案中，镜头口径为30～33毫米。
激光干涉直写设备的光学头可以采用衍射光栅对激光束进行分束，正负一级衍射光进入光学透镜组后在工件表面聚焦成像并在光斑内形成干涉条纹。如附图1所示，虚线框部分是用于干涉的光学镜头。
在干涉光学头中，要将干涉条纹的分辨率(空间频率)提高到亚微米线度，考虑采用更短的波长、设计更大数值孔径的透镜组，同时采用支持短波长的光学材料。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明采用双远心光路原理设计干涉镜头，由A、B两组透镜组合构成干涉镜头，两组透镜之间的光线是平行光，两组透镜之间的距离改变时，镜头的工作距离保持恒定、近轴放大率保持恒定，满足调焦的要求；采用透紫外光的熔石英光学材料，折射率为1.458，在200纳米到400纳米紫外光波段具有高的透过率，由于只需要在单波长下进行设计，所以采用一种光学材料就可以满足设计要求。
2.本发明的像方透镜采用四片结构设计，因而其数值孔径(NA)大，相干激光束能够产生的干涉角越大，干涉条纹的结构越精细，当数值孔径达到0.45时，355纳米波长激光在工件表面的最大干涉角达到53.5度，产生条纹最小周期400纳米，特征结构达到200纳米。
3.本发明的干涉头的物方没有光线夹角的要求，限定物方数值孔径在0.15～0.35之间，因而可以减少透镜数量，降低实际加工的累积工艺误差，并且便于与干涉镜头物方的衍射光栅配合。
4.本发明通过对两组透镜组中各透镜的形状配合关系的设定，可以降低像差，提高成像质量。
附图说明
附图1紫外干涉光学头的部分结构示意图；
附图2是本发明实施例一的紫外干涉镜头结构示意图；
附图3是实施例一在355纳米紫外光下的点列图；
附图4是实施例一在355纳米紫外光下的调制传递函数图；
附图5是实施例一在355纳米紫外光下的纵向像差图；
附图6是实施例一在355纳米紫外光下，A组、B组透镜之间的距离缩小20毫米下的点列图；
附图7是实施例一在355纳米紫外光下，A组、B组透镜之间的距离增加20毫米下的点列图；
附图8是实施例一在351纳米紫外光下的点列图；
附图9是实施例一在248纳米紫外光下的点列图；
附图10是实施例二的紫外干涉镜头结构示意图；
附图11是实施例二的镜头的点列图。
附图2是本发明实施例一的紫外干涉镜头结构示意图；
附图3是实施例一在355纳米紫外光下的点列图；
附图4是实施例一在355纳米紫外光下的调制传递函数图；
附图5是实施例一在355纳米紫外光下的纵向像差图；
附图6是实施例一在355纳米紫外光下，A组、B组透镜之间的距离缩小20毫米下的点列图；
附图7是实施例一在355纳米紫外光下，A组、B组透镜之间的距离增加20毫米下的点列图；
附图8是实施例一在351纳米紫外光下的点列图；
附图9是实施例一在248纳米紫外光下的点列图；
附图10是实施例二的紫外干涉镜头结构示意图；
附图11是实施例二的镜头的点列图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
如图2所示，紫外干涉镜头采用由物方透镜组A和像方透镜组B两组七片透镜组成，两组透镜组成双远心光学系统，两组透镜之间的距离可以改变，实现调焦的功能。A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成，光学材料均为在紫外波段具有高透过率的熔石英(SILICA)，光线传播方向依次为A3、A2、A1、B 1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜。
该干涉镜头的结构数据如下(单位：毫米)：
序号 半径 间距 材料 口径 物面 36.968 空气 1 -145.55 8 熔石英 30 2 -22.49 0.1 空气 32 3 175.27 6 熔石英 33 4 -51.018 2.76 空气 33 5 -27.397 4 熔石英 33 6 -48.75 25 空气 33 7光阑 25 空气 32 8 48.75 4 熔石英 33 9 27.397 2.76 空气 33 10 51.018 6 熔石英 33
序号 半径 间距 材料 口径 11 -175.27 0.1 空气 33 12 22.49 8 熔石英 32 13 145.55 0.1 空气 30 14 20.866 5.425 熔石英 32 15 33.65 21.247 空气 30 像面
激光干涉镜头的光阑口径为32毫米，根据镜片装配的要求，以上镜片的口径为30毫米～33毫米，弯月形凸透镜片采用平角设计，来保证装配的可靠性。工作距离大于20毫米，该镜头的物方(A)数值孔径0.34，像方(B)数值孔径0.46，物方满足衍射光学元件的要求，像方满足实现亚波长尺度干涉角度的要求。
附图3是在355纳米波长中心视场的点列图，尺寸为1.258微米，具体见图中标示。图4是调制传递函数图，图5是纵向像差曲线，满足成像的要求。
A、B镜头组间距离变化依然满足成像的要求，工作距离保持不变。图6是A组、B组透镜间的间距缩小20毫米时的点列图，图7是A组、B组透镜间的间距增大20毫米时的点列图。
该激光干涉镜头根据355纳米波长激光设计，在200～400纳米紫外光波段适用。图8是本实施例镜头在351纳米(典型YLF晶体DPSSL激光器三倍频波长)波长下的点列图，在该波长下工作距离21.21毫米，像方数值孔径0.46；图9是该发明镜头在248纳米波长下的点列图，相应的工作距离是19.435毫米，像方数值孔径达到0.485。
实施例二：
附图10是本发明的紫外干涉镜头实施例二结构图，在355nm波长下，物方数值孔径达到0.55。
附图11是该实施例镜头的点列图。
实施例二各镜片结构参数如下：
序号 半径 间距 材料 口径 物面 36.968 空气 1 -145.55 8 熔石英 30 2 -22.49 0.1 空气 32
序号 半径 间距 材料 口径 3 175.27 6 熔石英 33 4 -51.018 2.76 空气 33 5 -27.397 4 熔石英 33 6 -48.75 25 空气 33 7光阑 25 空气 32 8 43.69 4 熔石英 33 9 24.68 4 空气 33 10 50.33 6 熔石英 33 11 -122.58 0.1 空气 33 12 20.66 8 熔石英 32 13 104.73 0.1 空气 30 14 13.64 8 熔石英 26 15 20.45 13.26 空气 24 像面
实施例一：
如图2所示，紫外干涉镜头采用由物方透镜组A和像方透镜组B两组七片透镜组成，两组透镜组成双远心光学系统，两组透镜之间的距离可以改变，实现调焦的功能。A组透镜由A3、A2、A1三片透镜组成，B组透镜由B1、B2、B3、B4四片透镜组成，光学材料均为在紫外波段具有高透过率的熔石英(SILICA)，光线传播方向依次为A3、A2、A1、B 1、B2、B3、B4；其中，A1、B1为弯月型凹透镜，A2、B2为双凸透镜，A3、B3、B4为弯月型凸透镜。
该干涉镜头的结构数据如下(单位：毫米)：
序号 半径 间距 材料 口径 物面 36.968 空气 1 -145.55 8 熔石英 30 2 -22.49 0.1 空气 32 3 175.27 6 熔石英 33 4 -51.018 2.76 空气 33 5 -27.397 4 熔石英 33 6 -48.75 25 空气 33 7光阑 25 空气 32 8 48.75 4 熔石英 33 9 27.397 2.76 空气 33 10 51.018 6 熔石英 33
序号 半径 间距 材料 口径 11 -175.27 0.1 空气 33 12 22.49 8 熔石英 32 13 145.55 0.1 空气 30 14 20.866 5.425 熔石英 32 15 33.65 21.247 空气 30 像面
激光干涉镜头的光阑口径为32毫米，根据镜片装配的要求，以上镜片的口径为30毫米～33毫米，弯月形凸透镜片采用平角设计，来保证装配的可靠性。工作距离大于20毫米，该镜头的物方(A)数值孔径0.34，像方(B)数值孔径0.46，物方满足衍射光学元件的要求，像方满足实现亚波长尺度干涉角度的要求。
附图3是在355纳米波长中心视场的点列图，尺寸为1.258微米，具体见图中标示。图4是调制传递函数图，图5是纵向像差曲线，满足成像的要求。
A、B镜头组间距离变化依然满足成像的要求，工作距离保持不变。图6是A组、B组透镜间的间距缩小20毫米时的点列图，图7是A组、B组透镜间的间距增大20毫米时的点列图。
该激光干涉镜头根据355纳米波长激光设计，在200～400纳米紫外光波段适用。图8是本实施例镜头在351纳米(典型YLF晶体DPSSL激光器三倍频波长)波长下的点列图，在该波长下工作距离21.21毫米，像方数值孔径0.46；图9是该发明镜头在248纳米波长下的点列图，相应的工作距离是19.435毫米，像方数值孔径达到0.485。
实施例二：
附图10是本发明的紫外干涉镜头实施例二结构图，在355nm波长下，物方数值孔径达到0.55。
附图11是该实施例镜头的点列图。
实施例二各镜片结构参数如下：
序号 半径 间距 材料 口径 物面 36.968 空气 1 -145.55 8 熔石英 30 2 -22.49 0.1 空气 32
序号 半径 间距 材料 口径 3 175.27 6 熔石英 33 4 -51.018 2.76 空气 33 5 -27.397 4 熔石英 33 6 -48.75 25 空气 33 7光阑 25 空气 32 8 43.69 4 熔石英 33 9 24.68 4 空气 33 10 50.33 6 熔石英 33 11 -122.58 0.1 空气 33 12 20.66 8 熔石英 32 13 104.73 0.1 空气 30 14 13.64 8 熔石英 26 15 20.45 13.26 空气 24 像面