数字光刻技术作为微米级芯片制造的核心支撑，其中投影物镜的成像质量直接决定了芯片的加工精度与性能。相较于传统光刻，基于数字微镜器件（DMD）的数字光刻技术具备低成本、高效率、灵活性强等显著特点，已成为微米级芯片制造的主流方案。

华中科技大学光学与电子信息学院张学明团队基于ZEMAX光学设计软件，成功设计出一款高性能微米级数字光刻微缩投影物镜^[1]。该设计以0.625μm的超高分辨率、0.0159%的超低畸变、稳定的光学性能，为微米级芯片制造提供了全新解决方案。本文将深度解析该技术的设计理念、仿真过程与核心优势，展现其在半导体制造领域的巨大应用潜力。

近年来，国内数字光刻投影物镜研究取得一定进展：2013年湖北工业大学胡思熠设计出分辨率1.2μm的光刻物镜^[2]，广东工业大学刘海勇团队同期研发出分辨率3.5μm的微缩物镜^[3]，2016年邝建团队将分辨率提升至2μm^[4]。尽管技术持续进步，但现有设计仍存在分辨率不足、畸变控制不佳、照明均匀性欠缺等问题，难以满足高精度微米级芯片的制造需求。

在芯片制造过程中，投影物镜的分辨率直接决定芯片特征尺寸的最小极限，畸变则影响电路图案的精准复刻，而光照不均匀会导致光刻线条一致性差，这些因素共同制约着微米级芯片的性能与良品率。因此，研发一款兼具高分辨率、低畸变、匀光效果优异的投影物镜，对推动微米级芯片制造技术升级具有重要现实意义。

1）系统工作原理

为解决基板离焦导致的倍率误差问题，该投影物镜采用双远心光路结构，整体类似4F成像系统。前组透镜的后焦面与后组透镜的前焦面重合，视场光阑位于该重合平面，分别将前组、后组透镜成像于物方、像方无穷远。这种结构能确保入射与出射主光线始终与光轴平行，即便物距或像距发生变化，系统放大倍数也保持稳定，为成像精度提供基础保障，其结构示意图如图1所示。

图1 双远心结构示意图

2）关键技术指标计算

基于光刻工艺需求与光学设计原理，通过计算确定核心技术指标：

● 分辨率：依据瑞利公式与截止线对数要求，设计分辨率≤1μm，最终实现0.625μm；

● 放大倍率：结合DMD器件尺寸（14μm）与分辨率需求，确定放大倍率为-0.0714；

● 数值孔径：物方数值孔径0.02，像方数值孔径0.3，满足特征线宽加工要求；

● 焦距：前组焦距308.12mm，后组焦距22mm，保障后组具备充足工作距离。

这些指标为后续光学结构设计与仿真优化提供了明确的性能边界，确保设计方案兼具科学性与实用性。

该设计全程采用ZEMAX光学设计软件进行建模、优化与性能分析，通过分阶段设计、逐步迭代的方式，实现光学系统性能的极致提升。

1）物镜前组设计与优化

前组透镜采用双胶合透镜结构，具有焦长短、放大率大、成像质量好的特点，适合与后组透镜高效耦合。初始设计阶段，设置0、0.5、1三个视场，选取405nm光刻常用波长，在光阑后添加厚度为0的近轴面模拟聚焦效果。

优化前，前组子午场曲达16.5μm，畸变约0.0523%（图2），像差超出技术指标。通过开放4个曲面的曲率和厚度作为优化变量，以有效焦距和场曲为核心优化目标，最终将子午场曲降至3.8μm，畸变缩减至0.028%（图3），在有效空间频率内MTF（调制传递函数）均超过70%（图4），为整体系统性能奠定基础。

图2 前组优化前场曲/畸变

图3 前组优化后场曲/畸变

图4 前组优化后的MTF

2）物镜后组设计与优化

后组透镜需同时满足像方数值孔径0.3与短焦距（22mm）的要求，选用Petzval结构作为初始方案，该结构能有效校正畸变像差。为提升优化自由度，将Petzval结构的2片胶合面分开并增加空气间隔，保证结构对称性以校正彗差与畸变。

针对大视场下Petzval结构易产生严重球差的问题，团队引入海普冈结构平衡像差缺陷，最终形成4片透镜+海普冈结构的组合设计，其结构如图5所示。该结构不仅扩大了有效视场范围，还能高效校正彗差、畸变等多种光线像差，满足后组光学性能要求。

图5 后组整体结构示意图

3）整体系统优化

将优化后的前后组透镜数据组合，进入整体优化阶段：

● 以球差为核心优化函数，开放各面半径和厚度为变量，确保MTF≥0.4，满足基础清晰度要求；

● 加入畸变和场曲操作数，设置场曲权重0.5、畸变权重1，重点优化畸变像差，开放对像差贡献较大的球面参数；

● 以海普冈结构关键面的半径和厚度为变量，手动增大弯月形透镜厚度以消除像散和场曲，缩短优化时间并避免局部最优解；

● 基于赛德尔系数筛选引入像差较大的面，微调半径和厚度参数，最终形成整体光学结构（图6）。

图6 优化之后的二维结构

整体优化后，系统点列图RMS半径均在2μm以内（图7），截止线对数达标，分辨率实现0.625μm（图8），畸变降至0.0159%，最大子午场曲3.6μm（图9），完全达到设计预期。

图7 优化之后的点列图

图8 优化之后的MTF

图9 优化之后的场曲/畸变

4）色差分析与微透镜阵列设计

考虑到激光器输出存在微小线宽，团队在ZEMAX中进行色差分析：设置线宽1nm，以405nm为中心波长，添加404.5nm和405.5nm参考光。分析结果显示，全视场波像差均在0.25λ以内（图10），MTF虽有下降但仍≥40%（图11），系统对微小色差具备良好容忍度。

图10 考虑色差的波相差

图11 考虑色差的MTF

为解决高斯光束光照不均匀问题，团队在ZEMAX非序列模式下设计微透镜阵列匀光系统：选用高斯光源，设置光轴为z轴，微透镜阵列采用20×20排列，搭配OKP-1材质聚焦透镜，通过探测器监测确定像面位置（图12）。该系统能将高斯分布的激光转化为均匀分布的光束，非相干辐照度集中于0.51~0.90区间（图13），有效消除光照不均匀影响。

图12 匀光系统结构

图13 匀光之后的非相干辐照度分布

5）公差分析与量产可行性验证

为确保设计方案具备实际生产可行性，通过ZEMAX进行全面公差分析：设置透镜曲率半径误差±0.01mm，元件偏心倾斜±0.01°，选用几何MTF平均曲线为评价标准，将误差放大10倍以兼顾分析精度与可读性。

采用蒙特卡洛算法进行仿真验证，生成满足公差要求的随机镜头数据并按正态分布评估。结果显示，前10项误差主要来自非标准面加工偏心，实际误差仅为仿真值的1/10，90%的成品MTF>0.7692，完全满足工业加工精度要求，证明该设计方案具备量产潜力。

1）核心性能优势

相较于现有技术，本设计具备三大显著优势：

● 超高分辨率：实现0.625μm分辨率，远超此前同类设计的1.2μm~3.5μm水平，能完成更精密的芯片结构加工；

● 超低畸变：成像畸变控制在0.0159%，有效保障电路图案的精准复刻，提升芯片性能一致性；

● 匀光效果优异：通过微透镜阵列设计，将高斯光束转化为均匀照明，解决光刻线条高度均一性问题，降低良品率损耗。

同时，系统具备良好的环境适应性与工艺兼容性，对激光器输出线宽带来的微小色差具有容忍度，公差分析验证了量产可行性，为工业化应用奠定基础。

2）关键技术突破

本设计的技术创新集中体现在两方面：一是双远心+海普冈组合结构设计，通过前组双胶合透镜与后组Petzval-海普冈复合结构的优化耦合，实现了高分辨率与低畸变的协同提升，突破了传统结构难以兼顾多性能指标的瓶颈；二是微透镜阵列与聚焦透镜的一体化匀光设计，在ZEMAX非序列模式下完成精准建模与仿真，有效解决了光刻照明均匀性这一行业共性问题。

参考文献：