一種新型的底部對準光學系統設計

劉金榮，劉衛平

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

壓力傳感器、石英晶體震蕩器、微電子機械加工、薄厚膜混合電路、功率半導體器件、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。在雙面對準曝光機中，底面對準光學系統是必不可少的重要部分（BSA：Bottom Side A lignment）。

1 先進對準系統

現在采用的比較先進的對準系統實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限遠物鏡，工作原理如圖1所示。物體準確地位于物鏡的物方焦面處，經物鏡所成的像位于無限遠處（即物鏡的共軛距為無窮大）。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像。如圖1所示。

這種顯微物鏡的優點是，在物鏡和輔助物鏡之間是平行光路，有利于裝配調整，且可在其間加入棱鏡、濾光片和偏振片，而不引起像點位置變動、產生雙像疊影等。這種顯微物鏡的放大率由下式決定：

圖1 顯微鏡原理圖

在使用過程中，一般保持輔助物鏡不動，而只改變物鏡的焦距，以達到變倍的目的。

2 新型的BSA系統

新型BSA系統的原理與圖1所示相同，只是物鏡不動，改變輔助物鏡的焦距，通過遮光板在光路中切換以達到變倍目的。這種對準系統結構簡單，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

系統中有一組物鏡，兩組輔助物鏡。光線經過照明聚光鏡射到半透半反鏡1，反射進入物鏡，通過反射棱鏡照到物面，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，此時遮光板遮擋在輔助物鏡2前面。當遮光板擋在輔助物鏡1前面時透過半透半反鏡1的一部分光線經半透半反鏡2反射到反射鏡1上，再經反射鏡1透過輔助物鏡2照到反射鏡2上，之后經半透半反鏡3反射成像在CCD靶面上。

3 物鏡結構及像差分析

物鏡結構（內窺）如圖3所示。

圖3 物鏡結構圖

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，稍微有一點過校正，應用剩余球差公式應有：

L′sn≤6△ =0.2112

而實際計算出 L′sn也就是 L′0.7=0.01272大約為公差的1/16

表1 三色光線各視場球差值

由表2可知垂軸色差應有：LACL≤△=0.0352，實際計算值為0.00133約為公差的1/26

EXPP為相對于像面的出瞳位置，數值已達到1201mm，物鏡遠心。

EFFL為有效焦距，與理想值誤差0.75%，雖然沒準確到24mm，但因為不是測量顯微鏡，允許有一定的誤差存在。

總的來說，這個系統的各類像差校正得非常好。

表2 像差數據表

物鏡設計結果用調制傳遞函數（MTF）評價，如下圖5所示。可見0.5461mm波長的3個視場MTF曲線都與衍射極限幾乎重合，物鏡各像差校正的很好。

4 輔助物鏡設計

兩組輔助物鏡都可采用一組膠合組達到設計要求，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，這表明這兩路對準顯微鏡像差都校正的很好。

圖5 物鏡調制傳遞函數曲線

圖6 輔助物鏡

圖7 輔助物鏡一調制傳遞函數曲線

圖8 輔助物鏡二調制傳遞函數曲線

5 整個底部對準光學系統的 x、y、z三向控制

z向調焦可通過內部光路實現，見圖2，只要使物鏡整體前后移動即可實現調焦，x、y兩個方向的運動通過一個兩維臺整體移動整支光路，導軌移動產生的誤差對光路不會有影響。

6 結 論

通過軟件仿真，這種新型的底部對準光學系統的圖像質量性能會有很大提高，x、y工作臺機構運動時，圖像的穩定性也很好，總體質量優良。

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[1]袁旭滄.光學設計[M].北京：北京理工大學出版社，1988.

[2]張以謨.應用光學[M].北京:機械工業出版社.1984.

[3]鐘錫華.現代光學基礎[M].北京：北京大學出版社.2003.