一種新型的底部對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉金榮，劉衛(wèi)平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

壓力傳感器、石英晶體震蕩器、微電子機(jī)械加工、薄厚膜混合電路、功率半導(dǎo)體器件、體聲波器件、放電二極管等器件的制造都要求基片雙面曝光。在雙面對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)中，底面對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)是必不可少的重要部分（BSA：Bottom Side A lignment）。

1 先進(jìn)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

現(xiàn)在采用的比較先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)際上是一顯微物鏡直接成像在CCD靶面上，省去了目鏡。顯微物鏡為共軛距無(wú)限遠(yuǎn)物鏡，工作原理如圖1所示。物體準(zhǔn)確地位于物鏡的物方焦面處，經(jīng)物鏡所成的像位于無(wú)限遠(yuǎn)處（即物鏡的共軛距為無(wú)窮大）。在平行光路中加入輔助物鏡，則在其后焦面處（也即CCD靶面處）可以得到物體的倒立放大實(shí)像。如圖1所示。

這種顯微物鏡的優(yōu)點(diǎn)是，在物鏡和輔助物鏡之間是平行光路，有利于裝配調(diào)整，且可在其間加入棱鏡、濾光片和偏振片，而不引起像點(diǎn)位置變動(dòng)、產(chǎn)生雙像疊影等。這種顯微物鏡的放大率由下式?jīng)Q定：

圖1 顯微鏡原理圖

在使用過(guò)程中，一般保持輔助物鏡不動(dòng)，而只改變物鏡的焦距，以達(dá)到變倍的目的。

2 新型的BSA系統(tǒng)

新型BSA系統(tǒng)的原理與圖1所示相同，只是物鏡不動(dòng)，改變輔助物鏡的焦距，通過(guò)遮光板在光路中切換以達(dá)到變倍目的。這種對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，其單支光路示意圖如圖2所示。

圖2 單支光路示意圖

系統(tǒng)中有一組物鏡，兩組輔助物鏡。光線經(jīng)過(guò)照明聚光鏡射到半透半反鏡1，反射進(jìn)入物鏡，通過(guò)反射棱鏡照到物面，然后再反射回半透半反鏡1、半透半反鏡2、輔助物鏡1和半透半反鏡3，成像在CCD靶面，此時(shí)遮光板遮擋在輔助物鏡2前面。當(dāng)遮光板擋在輔助物鏡1前面時(shí)透過(guò)半透半反鏡1的一部分光線經(jīng)半透半反鏡2反射到反射鏡1上，再經(jīng)反射鏡1透過(guò)輔助物鏡2照到反射鏡2上，之后經(jīng)半透半反鏡3反射成像在CCD靶面上。

3 物鏡結(jié)構(gòu)及像差分析

物鏡結(jié)構(gòu)（內(nèi)窺）如圖3所示。

圖3 物鏡結(jié)構(gòu)圖

焦深公式為：

圖4 三色光線球差曲線

由表1可知邊緣球差L′m=0.002249，稍微有一點(diǎn)過(guò)校正，應(yīng)用剩余球差公式應(yīng)有：

L′sn≤6△ =0.2112

而實(shí)際計(jì)算出 L′sn也就是 L′0.7=0.01272大約為公差的1/16

表1 三色光線各視場(chǎng)球差值

由表2可知垂軸色差應(yīng)有：LACL≤△=0.0352，實(shí)際計(jì)算值為0.00133約為公差的1/26

EXPP為相對(duì)于像面的出瞳位置，數(shù)值已達(dá)到1201mm，物鏡遠(yuǎn)心。

EFFL為有效焦距，與理想值誤差0.75%，雖然沒準(zhǔn)確到24mm，但因?yàn)椴皇菧y(cè)量顯微鏡，允許有一定的誤差存在。

總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)的各類像差校正得非常好。

表2 像差數(shù)據(jù)表

物鏡設(shè)計(jì)結(jié)果用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）評(píng)價(jià)，如下圖5所示。可見0.5461mm波長(zhǎng)的3個(gè)視場(chǎng)MTF曲線都與衍射極限幾乎重合，物鏡各像差校正的很好。

4 輔助物鏡設(shè)計(jì)

兩組輔助物鏡都可采用一組膠合組達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所用材料完全相同，只是曲率不同。如圖6所示。

圖7和圖8分別為輔助物鏡一和輔助物鏡二同物鏡連通后的MTF曲線，都與衍射極限幾乎重合，這表明這兩路對(duì)準(zhǔn)顯微鏡像差都校正的很好。

圖5 物鏡調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

圖6 輔助物鏡

圖7 輔助物鏡一調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

圖8 輔助物鏡二調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

5 整個(gè)底部對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的 x、y、z三向控制

z向調(diào)焦可通過(guò)內(nèi)部光路實(shí)現(xiàn)，見圖2，只要使物鏡整體前后移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，x、y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)一個(gè)兩維臺(tái)整體移動(dòng)整支光路，導(dǎo)軌移動(dòng)產(chǎn)生的誤差對(duì)光路不會(huì)有影響。

6 結(jié) 論

通過(guò)軟件仿真，這種新型的底部對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量性能會(huì)有很大提高，x、y工作臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖像的穩(wěn)定性也很好，總體質(zhì)量?jī)?yōu)良。

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[2]張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1984.

[3]鐘錫華.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社.2003.