光刻物镜高精度挠性结构镜框设计及分析

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随着集成电路制造业特别是极大规模集成电路制造业的不断发展，对专业装备的设计和制造提出了更苛刻的要求，其中包括应用光学、精密机械、电子技术等众多领域。光刻机作为微电子装备中的核心设备，其核心分系统投影光刻物镜的设计、加工和装配的水平决定了最终的整机性能。光刻投影物镜光学系统的高分辨率和极小像差等性能要求的提出，使得口径不断加大的光学元件的支撑难度加大，同时需考虑实际工作环境中的-些主要影响透镜面形的因素，例如重力和热载荷等对透镜面形的影响。在光刻投影物镜的使用状态下，提出光学元件的面形精度优于 5 am RMS值的极高精度要求，同时应综合考虑设计的可实现性、加工性能以及装调过程中的复现性和效率等多方面因素。

在常见的光学系统里，在较大的光学元件尺寸和复杂的工作环境下满足极高精度面形要求是不多见的，收稿日期：2013-02-06； 收到修改稿日期：2013-04-08基金项目：国家重大专项基金资助项目(2009ZX02205)作者简介：华洋洋(1987-)，男(汉族)，黑龙江庆安人。研究实习员，硕士，主要研究工作是光机结构设计。E-mail：hyy620###163.tom。

http：//40 光电工程 2013年 7月相应的支撑结构对光学元件由于自身重力、支撑方式以及热载荷引起的面形变化影响方面的研究也相对较少。相关的文献和研究仅在大口径空间反射镜支撑 、高精度干涉仪的透镜支撑[4-5]和光刻投影物镜的透镜支撑 等较少领域。同时对物镜运输的安全性考虑，需要满足物镜内部透镜支撑结构的抗冲击性能，除了增设运输保护工装外，仍然在设计阶段考虑物镜 自身支撑结构对透镜的面形精度的位置变化影响。

本文针对光刻投影物镜的透镜高精度支撑结构设计，提出-种轴向三点主支撑、多点弹片辅助支撑，同时采用压片限制透镜径向位移的光学透镜支撑结构，根据在该支撑结构下光学元件受到自身重力、热载荷以及夹持力等条件下最终的面形变化，对该结构进行仿真分析。

1 透镜的支撑结构设计本文所用的透镜为平凸透镜，如图 1所示，透镜直径 1130 mm，加工支撑凸缘后直径 2123 ITITI，凸面曲率半径R150 mm，透镜中心厚 dl28 mm，凸缘处厚度 l1.64 mm，透镜材料选用熔石英。

透镜单元主要由透镜、镜框、L形弹片和压块组成，如图2所示。透镜由镜框上的三点主支撑和固定在镜框底部的多点弹片共同支撑，并由压块压紧固定，限制透镜径向和轴向位移。镜框的三点主支撑部分与透镜接触部分是精加工的平面，采用平面接触有利于透镜单元在装配过程中的调整，与三点主支撑相连接的是通过线切割加工的挠性结构，该结构的优点在于保持透镜轴向空间位置不变的情况下提供径向自由，防止透镜由于热载荷的作用产生的透镜面形劣化。

图 1 透镜外形示意图Fig.1 Structure ofthe lensscrew 图2 透镜支撑结构和装配接口示意图Fig.2 Lens support and interface ofthelens assemble structure透镜支撑单元中单镜的安装和整个单元的定位如图2所示，在单镜装配过程中可通过调整紧固螺钉进行径向调整和定位，紧固螺钉在镜框圆周上均匀分布，每 120。-个，共计三个。透镜支撑单元在集成装配过程中通过镜框上表面三个均布的工装孔来进行吊装，并利用镜框侧面的楔形结构进行透镜单元的紧固和定位，从而实现整个透镜单元的装配。

在材料的选择上，透镜、镜框分别为熔石英、不锈钢 Y1Crl8Ni9，L形弹片和压块均选用弹性合金60Si2Mn。其具体的参数如表 1所示。

表 1 材料参数表Table 1 Material parameters ofthe structurehttp：ll第40卷第7期 华洋洋，等：光刻物镜高精度挠性结构镜框设计及分析 412 镜框结构的参数优化压块的设计根据物镜自身支撑结构对透镜的夹持力确定，同时考虑实际的加工能力，设计原则是在能够满足运输和使用条件情况下，夹持力越小对透镜面形的精度影响就越小，最终确定压块的尺寸如图 3所示，本设计的已知参数为：透镜抵抗4g径向冲击加速度，透镜重量 G0.595 kg，压块与透镜摩擦系数f0.7，共计6个压块压紧，压块径向弯曲挠度(Opre 。140 gm。根据理论计算，得到每个压块提供的 7.035 0 N。

L形弹片的设计由压块的设计结果和支撑形式共同决定，已知每个压块的压力为 7.035 0 N，支撑面形的 PV值跟 L形弹片的数量有关。在仿真分析中，首先分别设计至少 3点至多 30点共计 28种支撑的 L形弹片结构，对同-个镜片的相同位置支撑，最终以镜片面形的 PV值作为评价指标，得出 PV值的大小与弹片支撑数量成反比的结论，即 L形弹片的支撑数量越多，则透镜面形越好，因此需要对支撑数量取-个最佳值。如图4所示，通过分析确定弹片数量为 6个。

图3 压块结构示意图Fig.3 Structure ofthe press blockNumber ofbrackets图4 PV值与弹片数量关系图Fig.4 Diagram ofthe PV value and the number ofspnngsL形弹片单独加工成型，可以降低镜框与弹片-体化加工的难度和风险，同时也可降低加工成本。装配过程中用限位销和紧固螺钉将其固定在镜框下端，限位孔和紧固孔如图 5所示，L形弹片给透镜提供辅助轴向力，利于保证透镜高精度面形。

图5 弹片结构图Fig.5 Structure ofthe springL形弹片初始设计参数为 ：支撑点数 为 6，弹片厚度 t为 0.3 IYIYI，透镜被压紧状态 弹片变形挠度为 108 gm，弹片宽度 b为 5.67 mm，根据理论计算可得，每个弹片的反弹力p为 0.830 8 N。

根据本设计的支撑结构，可求得每个主支撑的支撑力Vm2 ： 14.292 N>P，需要重新优化 L形弹片参数。

优化目标：2 -G- 6P-opt：p印 ，由此求得p。pt为 5.35 N。根据理论计算，并综合加工能力，最终确定弹片厚度t。pt为 0.46 mI/1，L形弹片变形挠度 为 186]am。

http：//第40卷第7期 华洋洋，等：光刻物镜高精度挠性结构镜框设计及分析 43nm；下表面面形 PV81.3 nm，RMS3.63 nm。因此，本文提出的透镜支撑结构，能够满足物镜支撑面形精度优于 5 nm的设计指标。