第５卷第４期 中国光学 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖ０１．５ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１２ ２０１２年８月 文章编号１６７４－２９１５（２０１２）０４－０４０１－０６ 光刻投影物镜可变光阑的结构设计与分析 孙 振 ，巩 岩 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春１３００３３） 摘要：针对光刻机投影物镜的可变光阑设计对光阑调整范围、安装空间、调整精度的要求，设计了口径为２３６ ｍｍ、调整精 度为ＮＡ±０．００３的连续可变光阑。通过设计与计算２３６ ｎｍ光阑片参数，得到了光阑各组件的结构参数，并采用部分齿 轮减小了运动机构的质量和摩擦。为了保证光阑的调整精度和材料应力要求，对光阑的各个部件进行强度校验并对其 固有频率进行了分析。结果表明：光阑的关键受力部件（如连接铆钉及传动齿轮）的应力均满足要求，光阑片的固有频 率间不存在密频现象。结果证明了提出结构的合理性。 关键词：可变光阑；投影物镜；结构设计；有限元分析 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１２０５０４．４０１０ 中图分类号：ＴＨ７０３；ＴＨ１３２ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｒｉｓ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉ。 ’ｎ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｈｏｇｒａｐＭｃ ｐｒｏｊｅｃｔｃ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｖｅ ＳＵＮ Ｚｈｅｎ ，ＧＯＮＧ Ｙａｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００３３，Ｃｈｉｎａ） ；ｌ：Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｎｚｈｅｎ１７６＠１６３．ｃｏｍ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ａ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃ－ ｔｅｒ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｒａｎｇｅｓ，ｓｍａｌｌ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｓｐａｃｅｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｒｉｓ ｄｉａ— ｐｈｒａｇｍ ｈａｓ ａｎ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｆ ２３６ ｍｍ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ＮＡ±０．００３．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｉｒｓ ｐｉｅｃｅ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｐａｒｔ ｉｓ ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｇｅａｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｓｓ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｐａｒｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｒｉｖｅｔ ａｎｄ ｇｅａｒｓ ｉｓ ｃｈｅｃｋｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ａｌｌ ｏｆ ｋｅｙ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｎａｔｕｒｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｉｓ ｎｏ ｄｅｎｓｅ ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ；ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ；ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 收稿１３期：２０１２－０３－２１；修订日期：２０１２－０５－２３ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．４０９７４１１０） 第４期 孙振，等：光刻投影物镜可变光阑的结构设计与分析 ３０ ｒ／ｍｉｎ，光阑轴向尺寸＜２５ ｍｍ，光阑片内圆弧 式中：ｒ为光阑片圆弧中心线半径；Ｔｉｎｓ为最大光孔 半径与最大光孔圆半径相等，外圆弧半径可按结 圆半径；ｐ ｉ 为最小光孔圆半径；ｒ。为固定铆钉所 构选取ｒ。 ＝１６５ ｍｍ。 在圆周半径；ｒ２为活动铆钉所在圆周半径；ｅ：为活 其主要尺寸参数计算 如下： 动铆钉偏移量；ｔｏ为铆钉孔对应的中心张角；Ⅳ为 ，（１） 光阑片片数； 为光阑片厚度；Ｔ为光阑片安装间 ｒ＝ ＝＿ 隙（取Ｔ＝１ ｍｍ）；ｎ为铆钉孔距；ＪＢ 为活动环最 ｒ１＝ｒ １＂２＝ｒ＋ｅ２， （２） 大转角；ｄ为铆钉孔径；占为在最小光孔圆时，相 ０ ＋ 一２ｒ２ｒ２ｅｏｓｏ￣， （３） 邻两片光阑片的活动钉相对于光孑Ｌ中心的夹角： １一 ２ ：２ａｒｃｓｉｎ ， （４） ｒ ｒ ＋（ｒｉ 一Ｐ ｉ ） 一ｒ： Ｊ７、ｒ： ， （５） ＣＯＳ￣Ｏ１ — ＿二 ： 一 ｃｏｓｑ￣２＝ — ■一・． （９）ｙ， ｆ： 。，， （６）（６） － ｉｎｓ 经过设计计算后，光阑片的各个参数值如 ＝４ ｒｃ ｎ ，（７） 表２所示。 ｄ：２．１ ｍｍ。 （８） 表２光阑片结构参数 Ｔａｂ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｒｉｓ ｐｉｅｃｅ ２．３传动结构设计 绕光轴来回摆动，所以只有部分齿轮的轮齿参与 常用的光阑传动方式有蜗轮蜗杆传动和齿轮 啮合，其余轮齿对运动传递没有任何作用。综合 传动等。蜗轮蜗杆传动在反向运动时存在的反向 考虑完整齿轮存在的这些弊端，本文提出末级齿 问隙虽然可以通过机械和电控等手段消除 ，但 轮采用部分齿轮的传动方式，齿轮与动环通过螺 由于本文设计的光阑通光孑Ｌ径较大，蜗轮蜗杆传 钉固定连接，消除了齿轮与固定环间的摩擦，使结 动比也很大，若选择双头蜗杆，其传动比约为 构更加紧凑，减小了结构质量，使支撑结构的受力 １００：１，这使得满足设计目标的转速要求时需要的 情况得到一定的改善。 蜗杆转速很大，导致较大的摩擦和发热量，运动精 ２．４材料的选取 度差。齿轮传动具有传动精度高、传动平稳、采用 由于虹彩光阑的结构特点使其在工作过程中 双薄齿轮可以消除反向运动间隙等优点，所以本 光阑片的受力情况不是恒定的。通光孔径由大到 文采用齿轮传动方式。传统的齿轮传动方式中， 小变化的过程中，光阑片间的挤压力逐渐增大，导 末级齿轮套在光阑固定环上，齿轮带动导钉在固 致光阑片之间的摩擦力逐渐增大，也使得光阑片 定环上的导钉槽中运动进而带动光阑动环转动。 挠曲变形。因此，在光阑片的材料选择时，应重点 这种方式的齿轮直径必须大于固定环的支撑部分 考虑弹性模量低、伸长率大、耐磨性好的材料。本 直径，在运动过程中，由于采用完整齿轮，对齿轮 文选择含磷３％的锡青铜作为光阑片材料，各部 和固定环的接触面的加工精度要求较高，而且齿 件材料属性见表３。 轮与固定环间存在摩擦。由于光阑动环的运动是 第４期 孙振，等：光刻投影物镜可变光阑的结构设计与分析４０５ 环境频率与光阑片的固有频率相同或倍频，需要 振动。图５是光阑片前３阶固有频率振型图。 求出光阑片的固有频率，进而避免光阑片的自激 表４为光阑片的前１０阶固有频率值。 表４前１Ｏ阶固有频率 Ｔａｂ．４ Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ １０ ｏｒｄｅｒ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ 由光阑片固有频率列表可以看出，其１０阶固 限元模型，图７是齿轮齿面接触应力云图。齿轮 有频率没有出现密频或重根现象，有利于避开振 采用合金钢调质处理，考虑到小齿轮的应力循环 动源的频率，避免发生自激振动。 次数，其许用接触应力为３５０ ＭＰａ。 ３．３齿面接触强度分析 从图７中可以看出，最大接触应力值为 在光阑传动系统中，大小齿轮的直径相差很 ４２．３ ＭＰａ，远小于许用接触应力值。仿真结果表 大，在光阑的一个运动周期中小齿轮的全齿多次 明：大齿轮的齿顶与小齿轮接触处应力相对较大， 与大齿轮的部分齿啮合。为了保证光学系统的洁 应对大齿轮齿顶进行修圆处理。 净度，齿轮啮合时不能使用任何润滑剂，所以其齿 ３．４光阑调整精度分析 面接触强度需要重点考虑＿８ Ｊ。本文中齿轮模数 光阑传动机构的间隙是影响光阑调整精度的 为２ ｍｍ，齿数分别为２３和１７０。为了简化分析， 主要因素，其中主要是齿轮啮合过程中的两齿轮 本文取齿轮的两对齿进行接触应力分析，以便减 的齿距累计偏差和铆钉与铆钉孔的配合间隙。齿 少网格划分数量，加快运算速度。图６是齿轮有 轮选用７级精度，其大小齿轮的齿距累计偏差分 别为３２ ｍ和９０ ｍ，传动比为７．３９。铆钉与铆 钉孔采用间隙配合，间隙量为２０ ｍ，将上述几个 误差参数转换成大齿轮的转动角度约为： ３２×１０一 １８０ １ ９０×１０一 １８０ — × × ＋— × ＋ … × ＾ ：０．０４９。．一・ ・ （１２）＼ ‘， １ｑ－Ｏ 竹 由于光阑转角与孔径变化为非线性关系，由 图６齿轮有限元模型 式（７）可得，当转动０．０４９。时，孔径最大变化为： Ｆｉｇ．６ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｅａｒ Ａ，：２ｒｓｉｎ ０．０４９——４ －：０．０６ ｍｍ． （１３） 由于光阑孔径为２３６ １Ｔｉｍ时对应ＮＡ为０．７５， 将孔径大小与ＮＡ值近似按照线性关系计算，得 到光阑的调整精度约为ＮＡ±０．０００ ２，满足ＮＡ ±０．００３的调整精度要求。 ４ 结 论 本文对光刻投影物镜可变光阑进行了设计和 图７齿面接触应力云图 分析，计算得到了光阑片的详细结构参数，改进了 Ｆｉｇ．７ Ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇｅａｒ ｓｕｒｆａｃｅ 传动结构，采用部分齿轮减小了运动机构的质量 和摩擦。对关键结构件（固定环、活动环和铆钉） 中国光学 进行了受力分析，对光阑片的固有频率和齿轮齿 面接触强度进行了分析，结果表明各个部件的应 ］ｊ］Ｊ］ｊ］Ｊ］Ｊ １ｊ １Ｊ］ｊ 第５卷 力和变形满足设计要求，光阑调整精度满足要求。 参考文献： 董莉莉，金宏．采用可变光阑的自动调光系统的稳定性分析［Ｊ］．光学精密工程，１９９９，７（１）：１００．１０４． ＤＯＮＧ Ｌ Ｌ，ＪＩＮ Ｈ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ—ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｉｒｉｓ ｄｉａｐｈｒａｇｍ［Ｊ］． Ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，１９９９，７（１）：１００—１０４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 李为，李德熊，陈南光．摄影仪器［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９３． Ｌ１ ｗ，ＬＩ Ｄ Ｘ，ＣＨＥＮ Ｎ Ｇ．ＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 王义龙．特殊口径调光系统的研制及其实验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００７． ＷＡＮＧ Ｙ Ｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃａｌｉｂｅｒ ｄｉｍｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆ ｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 巩岩，张巍．光刻曝光系统的现状与发展［Ｊ］．中国光学与应用光学，２００８，１（１）：２５—３５． ＧＯＮＧ Ｙ，ＺＨＡＮＧ Ｗ．Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ 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巩岩（１９６８一），男，吉林梅河１：１人，博士，研究员，博士生导师，主要从事精密光学仪器、光机电一体化技术等 方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｙ＠ｓｋｌａｏ．５（３．ｅｎ
