可绕一个点枢转的光学安装件 关联技术的交叉引用
本申请要求Blanding等人于2007年2月28日提交的题为“整体式光学安装件(Monolithic Optical Mount)”的No.60/903991美国临时申请的权益。
领域
本发明总的涉及器件安装，更具体地涉及允许绕光轴和绕与光轴正交的轴受控量的转动并抑制其它移动杂量的光学元件的安装件。
背景
平版印刷或显微光刻装置广泛地用于微电子半导体器件和其它微型器件的制造。在平版印刷中，光学系统引导光能以高分辨率并通过精确的配准将图案记录在形成于硅晶片和其它基板上的光敏层上。微型化方面的连续改进对用于此功能的光学系统的性能和精度具有越来越有挑战的要求。显微光刻光学系统相当大和复杂，包含多个光学元件。
用于显微光刻的透镜组件——一般称为“分档镜头”——典型地包括许多透镜元件，其中每个元件精确地安装在由不锈钢或其它稳定材料制成的圆柱形“单元”内。可按极端严密的公差对每个这些单元精确地加工，例如，具有研磨成平坦和平行的面，从而当安装透镜时，每个连续单元固接于相邻单元的面。这种配置一般仅允许非常有限的调整，例如沿X或Y的少量倾斜或对中移动。一旦已安装所有单元，测试整个透镜并分辨出任何不想要的像差或图像缺陷。例如在Bruning等人题为“光学安装件和层叠式环面组件的解耦安装件(Decoupled Mount for Optical Element and Stacked Annuli Assembly)”的美国申请No.5,428,482中记载了用于这种类型的光学装置的一个叠置的环面透镜组件结构。
这些透镜的总组装可能是耗时的工序，需要反复测试并调整直到获得合适的性能水平为止。一些调整可能需要将最近组装的透镜拆散以修正一个或多个器件，然后再次组装。在这样复杂的透镜组件已完全再组装后，经常判定一个或多个透镜元件可能需要略微倾斜或偏心以校正其它可测量的光学缺陷。最好通过组装的透镜就能完成一些用于校正这些缺陷的调整。提供允许透镜元件位置某种程度的细调而不需要完全拆散系统器件的安装机构是有利的。在设计复杂的显微光刻透镜组件时，希望允许对规定透镜组件的可调整性的测量以校正特定缺陷而不会引入其它缺陷。如果可沿透镜组件的光轴在一个或多个预定位置上作出非常细微的翻转和倾斜调整，则可以相对“正交”方式调整特定缺陷或像差，而不需要拆散透镜叠件。
在复杂的显微光刻组件或其它复杂的透镜系统中补偿像差的任务需要大量的时间和资源并需要对光学像差的初始详细评估。可基于波阵面误差和图像位置误差的分析来识别光学系统中的调整的潜在点，所述波阵面误差包括但不局限于球形像差、彗形像差和像散，而图像位置误差例如为切向误差、梯形误差、径向失真和放大误差。作为这种评估的一部分，必须分辨出可能导致像差之间“串扰”效果的调整，从而在校正一个像差时，可分辨出引起或增加其它像差的副作用和使其最小化。
补偿像差的顺序非常重要。例如，在一般实践中，在首先将非对称误差校正至合理容限内后，就补偿对称误差。之后的步骤提供对非对称误差的进一步校正。重复迭代可以是必要的。为了帮助使不同像差类型之间地串扰最小化，必须以某些方式量化不同像差之间的正交性。例如，一种评估可确定，通过倾斜特定透镜元件的补偿可缓解非对称彗形象差并对非对称的像散或梯形失真具有非常小的影响。然而，同一倾斜可能对梯形失真具有突出的效果。系统中的其它调整可对其它像差具有类似的影响，在某些情形下具有较小的影响或在其它情形下具有较大的影响。为此，对称方法用来实现对特定透镜组件设计来说必须的调整顺序。为了减少受控校正不引入误差的可能性，要求不必拆散和再组装透镜即可作出这一系列的调整。
已提出多种用于解决倾斜、翻转和各种偏心调整的问题的方案。一些这样的方案需要具有许多小型部件的复杂机械组件，例如在Hale的题为“提供精确约束的精确上翘位置驱动器(Precision Tip-Tilt-Piston Actuator thatProvides Exact Constraint)”的No.5,986,827美国专利中示出的。例如Weber的题为“绕至少一轴倾斜物体的设备，尤其是光学元件(Apparatusfor Tilting an Object About at Least One Axis，In Particular anOptical Element)”的No.6,271,976美国专利中提出的其它方案提供从动力学上定义两根正交的旋转轴连同用于设定倾斜角或倾斜/翻转角的可调整约束的约束结构。
尽管这些传统方法可获得对倾斜和翻转调整的控制的一些测量，然而，它们全都缺少高分辨率显微光刻所需的内容。复杂机械组件的制造和使用成本高，会受热膨胀影响，并会引入对其精确性和准确性造成限制的不想要的运动“杂量”。必须仔细设计和组装约束结构以防止沿任何方向的过度约束。因此需要一种改进的光学元件安装件，它允许组装后透镜元件的倾斜和翻转位置以及偏心度的细调而不需要将透镜组件拆开。
概述
本发明的一个目的是改进光学器件安装技术，尤其是对需要高精确程度的场合，例如显微光刻。为此，本发明提供一种光学元件安装件，包括：
外部构件和内部构件，其中内部构件具有中轴线并通过多个弯折构件悬置在外部构件内，
其中每个弯折构件具有沿在一共同点与中轴线相交的直线的弯折部，
其中共同点充当内部构件的旋转运动的枢转点。
本发明的一个特征是提供适于使用薄板式弯折构件的整体结构的安装件。
本发明的一个优点是它将透镜或其它光学器件的动作约束成在垂直于光轴的轴线上倾斜和翻转转动，并允许某些定心调整，同时允许绕光轴的某些转动。
附图简述
图1是对于示出动力约束原则有用的的常见游戏场地装置的立体图。
图2是一个实施例中的透镜安装件的立体图。
图3是图2的透镜安装件的俯视图。
图4是替代性实施例中的透镜安装件的立体图。
图5是另一替代性实施例中的透镜安装件的立体图。
图6A是来自图5实施例的弯折构件的放大图。
图6B是跟踪限定图6A所示弯折构件的凹腔的中心线的示意图。
详细说明
在本公开的背景中，术语“顶部”和“底部”是相对的并且不表示任何必须的表面取向，但可简单地用来表示和区别组件或材料块的相反表面。
提供本文表示和描述的附图以示出根据本发明的透镜安装装置的工作和制造原理，并且不以实际尺寸或比例绘出附图。可能需要一些夸大表示以强调基本关系或工作原理。
本发明的装置和方法提供透镜或其它光学元件的动力安装机构。由于能够整体地形成动力安装机构，要么通过在一块材料中形成空腔而减成地形成，要么通过将材料沉积到图案上以形成一个部件的许多技术中的任何一种而加成地形成，这种动力安装机构优于传统的透镜安装设计。代替地，本发明的透镜安装件也可由多个器件组装而成，形成和设置成接下来描述的几何形状。
本发明的装置是透镜单元，该透镜单元是如此地由单块材料形成而其运动学性能如同两个刚性部件那样：保持透镜或其它光学器件的内部构件以及固接于一个或多个相邻的透镜单元或某些其它结构的外部构件或框体。内部构件较佳为轴对称的。使外部构件保持静止，约束结构使内部构件相对该轴具有三个旋转自由度。可实现这种运动而无需施加不想要的寄生运动且无需拆散(并随后再组装)透镜组件。对光学系统设计者来说，由于沿光轴提供用于透镜或其它光学器件旋转运动的单个枢转点，本发明所提供的特定约束结构优于之前的约束结构。设计者可规定枢转点的相对位置，允许可观的灵活性以进行位置调整。
为了更好地理解本发明的操作，启发性地考虑在常规游戏场地装置情况下“轮胎秋千”所示出的动力学关系。在轮胎秋千10中，轮胎12通过近乎相同长度的三条链子16连接于吊环螺栓14或其它高架枢转点。从动力学角度看，每条链子16与重力结合地表示一个约束。在所施加的动力中，可较佳地理解，由相交于一个共同点的这三个(或更多个)约束的特定图案约束的本体具有通过固定的共同点的三个旋转自由度(DOF)。因此，该娱乐装置的轮胎12具有三个旋转自由度(DOF)。参照在三条链子16相交处(即吊环14处)所示的坐标轴，轮胎12如图1中虚线表示的那样可绕y轴旋转(θx旋转)。同样，绕x轴的旋转(θx旋转)或绕x和y轴的旋转(θx或θy旋转)也是可能的，如同一些绕z轴的旋转(θz旋转)。当三条链子16因重力而拉紧时，没有其它自由度是可能的。
本发明意欲提供一种动力学关系，即以基本原理来说，某种程度地类似于图1的轮胎秋千例示出的动力学关系。与之前允许绕两轴倾斜和翻转DOF的动力安装方案不同，如本轮胎秋千例所示，本发明提供相对于中轴或光轴A上的单个、公共的枢转点的移动。对于本发明，可移动内部构件约束沿z轴的平移，并允许具有θx、θy和θz中至少一些自由度的光学定中心调整。内部构件用来安装例如透镜、镜或其它元件的光学器件，或其本身可以是例如反射元件的光学器件。薄板式弯折构件，在本申请中更简单地称为弯折构件，沿其弯折线提供单个约束。本发明采用弯折构件约束结构，其弯折部的取向使其提供参照图10中的轮胎秋千10描述的θx、θy和θz自由度的等效结构。(当然，与轮胎秋千的类比是不完美的，由于对轮胎秋千来说重力是必要的量，相反由弯折构件提供的线性约束在伸张和压缩方面都是刚性的)。
参照图2，这里示出根据本发明一个实施例的光学元件安装件20。光学元件安装件20具有内部构件22和用于支承光学元件的孔口或开口26。内部构件22通过多个弯折构件30悬置在外部构件24中。如图2所示，最少使用三个弯折构件30。每个弯折部32倾斜取向以使其沿与光轴O相交在共同点P的相应直线L1、L2或L3。每条直线L1-L3向光轴O倾斜、但不平行于光轴O。可以看出图1和2的约束结构的基本等效结构。定义在直线L1、L2或L3交点处的共同点P因此充当一固定枢转点，以使内部构件22绕正交于中央光轴O的轴线和绕光轴O本身旋转运动。
在所示实施例中，共同点P与光学元件安装件20器件隔开一定距离。然而，共同点P的位置不受约束。因此，本发明的装置使光学设计者有能力对点P的相对位置进行优化，所述点P是沿弯折构件30的弯折部32所朝向的光轴O的。例如，使用本领域内已知的光学系统分析技术，光学系统设计者可为每个透镜或利用光学元件安装件20的其它光学元件识别出在特定情形下最适于用作其枢转点P的沿光轴O的相应位置。
典型地，内部构件22沿光轴O对称。然而，沿该轴对称不是必需的。要注意，圆柱的数学定义不仅包括熟悉的直圆柱体，还包括可通过移动平行于固定直线的直线而界定外表面的任何数量的其它形状，其中该移动直线与固定平面封闭曲线或底部相交。尽管内部构件22和外部构件24的圆柱形示出于图2和之后附图的示例性实施例中，但这两个构件中的任何一个或两者可以是非圆柱形状。
如可从图2中看出的那样，弯折部32形成V形结构，在本实施例中对弯折构件30给出一种独特的“倾斜的人字形(slanted chevron)”形状。每个弯折部32相对于光轴O具有一倾斜角，以使弯折部32的延伸线和光轴O之间的夹角G为非零。由每个弯折部形成的角G可在夹角的某一可能范围变动，典型地在大约30至大约150度的范围内变化，从而在安装件20的设计中允许大量的灵活性。
数个不同的人字形取向是可能的，只要每个弯折部32位于与光轴O在共有的共同点P上相交的直线上。在示出图3俯视图的图2的实施例中，人字形部相对于内部构件22的对称几何形状为切向指向。将弯折构件30连接于内部构件22的臂34从内部构件22切向地向外延伸。
图4示出一替换性实施例，其中弯折构件30的人字形部如图2和3所示切向地指向。然而，在图4实施例中，臂34沿径向从外部构件22向外延伸。倘若每个弯折部32沿相交于共同点P的直线L1-L3延伸，则可使用由弯折构件30形成的斜人字形的任何合适取向。在又一替代实施例中(未示出)，弯折构件30的人字形结构可沿径向从内部构件22指向外部。可根据应用的需要规定例如弯折构件30的数目以及人字形结构和臂34取向的变化。实践中要考虑制造方法和成本以达到弯折构件30的最佳形状和取向。
对于整体制造，一个成本考虑涉及必须从块件去除或另行沉积以制造光学元件安装件20的材料量。每个弯折构件30由两个相邻凹腔36界定，如图3所示，因此可认为凹腔36的形状限定弯折构件30的形状。图5所示的光学元件安装件20的替代实施例采用相对窄的弯曲狭槽的凹腔36的结构。对于减成或机加工制造技术，本实施例需要去除比之前描述的图2-4实施例更少的材料以在内部构件22和外部构件24之间限定凹腔。这里，内部构件22中的开口26相对于外部构件24的直径相对较大。图6A中示出图5的虚线轮廓中的部分E的放大图，以表示这种构造中的弯折构件30中的一种结构。为清楚起见，图6B仅以阴影实线示出界定图6A所示弯折构件的相邻凹腔36部分的中心线。同样，在整体式构造中使用倾斜的人字形图案，由于弯折构件30由两个相邻凹腔36界定，其中每个凹腔36界定弯折构件30的相对表面。如图5和6A所示，弯折部32沿倾斜的相交线L1延伸。同样的图案用于图5实施例的每个弯折构件30。要注意，图5的实施例使用四个弯折构件30，这些弯折构件30相对于沿光轴O的视图相隔90度，并具有沿直线L1-L4对准的弯折部。
如光学安装件领域内技术人员所清楚知道的那样，使用相对沿光轴O的视图基本相隔120度的三个弯折构件30是有利的。然而，当光学元件安装件20由单块材料形成时，可采用三个以上的弯折构件30而不存在过度约束。在实践中，已发现在某些设计中采用四个弯折构件30是有利的，如图5所示沿光轴O剖切得到的视图可看到，以90度的间隔来设置这四个弯折构件30。这种关系允许作出正交倾斜和翻转调整而不会引入不想要的运动。
与之前的透镜安装方法不同，本发明在共同点P处提供单个枢转点以使内部构件22旋转运动。根据本说明书中的附图中使用的坐标系统，相对于光轴O具有一倾斜角每个弯折部32与沿在共同点P处与光轴O相交的直线的每个弯折部32的对齐给予光学元件安装件20准确约束以提供θx、θy和选用的θz的旋转自由度的优点。因此绕枢转点P的旋转为偏心提供可控制的调整量。
整体制造
有利地，该可整体地构成可移动内部构件及其基准静止框的组合结构，即，从一块材料形成。单个部件或整体构造的优点是消除了例如那些由热系数差和紧固件制造和组装带来的问题。总的来说，单个部件机械加工的透镜安装组件在本质上具有比其它类型的透镜安装件更小的机械应力。单个部件允许更为简单的处理、组装和安装以构造光学组件。整体形成的光学安装件具有内置的对齐。
如之前所述的，可通过在单块材料中形成凹腔结构而减成地制造本发明的光学元件安装件。使用计算机数控(CNC)作出的加工技术，可实现高精度和可重复的加工以提供单部件构造。EDM加工(放电加工)是CNC加工的一种特殊形式，可用于金属和其它硬质材料的复杂部件的精确制造。简言之，EDM使用在电极和所要去除材料之间的间隙间的放电而有选择地从导电物质的工件腐蚀材料。电介质流体连续流入电极周围的间隙区并冲走去除的材料。导线EDM是使用连续移动导线作为其电极的一种形式的EDM。适于制造整体器件的其它技术可包括传统加工、激光加工、各种蚀刻技术、喷水和用于从固体块去除材料的一般加工技术，构造和形成预定义尺寸的凹腔，控制其总轮廓和深度。
在整体式实施例中，用于光学元件安装件20的材料可以是用于所采纳的应用和制造方法的类型的任何合适材料，包括不锈钢、铝或一些其它稳定的、可机械加工的金属，或另一方面，包括允许适当柔韧度的聚合物和陶瓷的绝缘材料。对于EDM使用，需要导体材料。也可使用采用腐蚀从块件去除材料的其它加工技术以减成方式形成整体式光学元件安装件20。一开始可采用例如较低成本的加工方法在材料块中形成孔口或开口26。
通过一些材料，光学元件安装件20可以是模制部件或可由其它方法形成，例如包括材料沉积。可采用许多快速原型化技术中的任何一种来提供整体结构。可用以制造光学元件安装件20的快速原型化技术的一些例子包括有选择的激光烧结(SLC)、立体平版印刷和以加成方式通过沉积材料制造固态结构的大量其它技术。
本发明的结构在许多方面优于传统方案，以允许光学器件的翻转和倾斜和定心调准。单体和整体构造给予光学元件安装件20热稳定性和总体刚性方面的若干固有优势。在具有若干透镜元件的光学组件中，可使用一个以上的光学元件安装件20。每个光学元件安装件20可具有相同的外部尺寸轮廓，该轮廓配合在之前描述的分档镜头的层叠环面图案中，仍然允许其透镜相对于不同枢转点P的倾斜和翻转以及偏心调整。光学系统中用于任何安装件的共同点P可沿光轴高于或低于光学元件安装件20。
本发明的光学安装件可用于单个透镜或其它光学元件或者复杂光学组件中的一个或多个光学元件，例如如前所述用于显微光刻法的分档镜头。尽管可整体地形成光学元件安装件20，如图2-6A的实施例所述那样，它也可由多个部件组装而成。因此，因此，例如，可单独制造一个或多个弯折构件30，并使用合适的紧固硬件或附连技术紧固在内部构件22和外部构件24之间。可以理解，整体式制造可通过自动提供每个弯折部32所需的精确角方位而提供明显的优点。
已具体参照本发明的某些较佳实施例进行了详细阐述，然而要理解，本领域内技术人员可在本发明如上所述和所附权利要求书提到的范围内作出多种变化和修改而不脱离本发明的范围。例如，尽管本发明的装置很好地适用于光刻应用，这种安装装置也可用于仅允许相对于直角坐标轴的旋转的任何许多其它应用。开口26可用来安装任何许多光学元件，包括透镜、镜、棱镜、光学膜、光栅或其它器件，加上器件的支持硬件。可对内部构件22形成开口26的内表面进一步加工或特征化以保持光学元件和其它需要的紧固件。或者，内部构件22可以是光学器件本身，而不需要开口26。
因此，提供的是一种用于光学元件的安装件，它允许绕垂直于光轴的轴线倾斜和翻转移动和绕光轴的一些转动，但约束沿垂直于轴的轴线或平面中的平移运动。