數字光刻技術作為微米級芯片制造的核心支撐，其中投影物鏡的成像質量直接決定了芯片的加工精度與性能。相較于傳統光刻，基于數字微鏡器件（DMD）的數字光刻技術具備低成本、高效率、靈活性強等顯著特點，已成為微米級芯片制造的主流方案。

華中科技大學光學與電子信息學院張學明團隊基于ZEMAX光學設計軟件，成功設計出一款高性能微米級數字光刻微縮投影物鏡[1]。該設計以0.625μm的超高分辨率、0.0159%的超低畸變、穩定的光學性能，為微米級芯片制造提供了全新解決方案。本文將深度解析該技術的設計理念、仿真過程與核心優勢，展現其在半導體制造領域的巨大應用潛力。

設計背景與核心意義

近年來，國內數字光刻投影物鏡研究取得一定進展：2013年湖北工業大學胡思熠設計出分辨率1.2μm的光刻物鏡[2]，廣東工業大學劉海勇團隊同期研發出分辨率3.5μm的微縮物鏡[3]，2016年鄺建團隊將分辨率提升至2μm[4]。盡管技術持續進步，但現有設計仍存在分辨率不足、畸變控制不佳、照明均勻性欠缺等問題，難以滿足高精度微米級芯片的制造需求。

在芯片制造過程中，投影物鏡的分辨率直接決定芯片特征尺寸的最小極限，畸變則影響電路圖案的精準復刻，而光照不均勻會導致光刻線條一致性差，這些因素共同制約著微米級芯片的性能與良品率。因此，研發一款兼具高分辨率、低畸變、勻光效果優異的投影物鏡，對推動微米級芯片制造技術升級具有重要現實意義。

核心設計理論與技術指標

1）系統工作原理

為解決基板離焦導致的倍率誤差問題，該投影物鏡采用雙遠心光路結構，整體類似4F成像系統。前組透鏡的后焦面與后組透鏡的前焦面重合，視場光闌位于該重合平面，分別將前組、后組透鏡成像于物方、像方無窮遠。這種結構能確保入射與出射主光線始終與光軸平行，即便物距或像距發生變化，系統放大倍數也保持穩定，為成像精度提供基礎保障，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 雙遠心結構示意圖

2）關鍵技術指標計算

基于光刻工藝需求與光學設計原理，通過計算確定核心技術指標：

• 分辨率：依據瑞利公式與截止線對數要求，設計分辨率≤1μm，最終實現0.625μm；放大倍率：結合DMD器件尺寸（14μm）與分辨率需求，確定放大倍率為-0.0714；數值孔徑：物方數值孔徑0.02，像方數值孔徑0.3，滿足特征線寬加工要求；焦距：前組焦距308.12mm，后組焦距22mm，保障后組具備充足工作距離。

這些指標為后續光學結構設計與仿真優化提供了明確的性能邊界，確保設計方案兼具科學性與實用性。

基于ZEMAX仿真優化

該設計全程采用ZEMAX光學設計軟件進行建模、優化與性能分析，通過分階段設計、逐步迭代的方式，實現光學系統性能的極致提升。

1）物鏡前組設計與優化

前組透鏡采用雙膠合透鏡結構，具有焦長短、放大率大、成像質量好的特點，適合與后組透鏡高效耦合。初始設計階段，設置0、0.5、1三個視場，選取405nm光刻常用波長，在光闌后添加厚度為0的近軸面模擬聚焦效果。

優化前，前組子午場曲達16.5μm，畸變約0.0523%（圖2），像差超出技術指標。通過開放4個曲面的曲率和厚度作為優化變量，以有效焦距和場曲為核心優化目標，最終將子午場曲降至3.8μm，畸變縮減至0.028%（圖3），在有效空間頻率內MTF（調制傳遞函數）均超過70%（圖4），為整體系統性能奠定基礎。

圖2 前組優化前場曲/畸變

圖3 前組優化后場曲/畸變

圖4 前組優化后的MTF

2）物鏡后組設計與優化

后組透鏡需同時滿足像方數值孔徑0.3與短焦距（22mm）的要求，選用Petzval結構作為初始方案，該結構能有效校正畸變像差。為提升優化自由度，將Petzval結構的2片膠合面分開并增加空氣間隔，保證結構對稱性以校正彗差與畸變。

針對大視場下Petzval結構易產生嚴重球差的問題，團隊引入海普岡結構平衡像差缺陷，最終形成4片透鏡+海普岡結構的組合設計，其結構如圖5所示。該結構不僅擴大了有效視場范圍，還能高效校正彗差、畸變等多種光線像差，滿足后組光學性能要求。

圖5 后組整體結構示意圖

3）整體系統優化

將優化后的前后組透鏡數據組合，進入整體優化階段：

• 以球差為核心優化函數，開放各面半徑和厚度為變量，確保MTF≥0.4，滿足基礎清晰度要求；加入畸變和場曲操作數，設置場曲權重0.5、畸變權重1，重點優化畸變像差，開放對像差貢獻較大的球面參數；以海普岡結構關鍵面的半徑和厚度為變量，手動增大彎月形透鏡厚度以消除像散和場曲，縮短優化時間并避免局部最優解；基于賽德爾系數篩選引入像差較大的面，微調半徑和厚度參數，最終形成整體光學結構（圖6）。

圖6 優化之后的二維結構

整體優化后，系統點列圖RMS半徑均在2μm以內（圖7），截止線對數達標，分辨率實現0.625μm（圖8），畸變降至0.0159%，最大子午場曲3.6μm（圖9），完全達到設計預期。

圖7 優化之后的點列圖

圖8 優化之后的MTF

圖9 優化之后的場曲/畸變

4）色差分析與微透鏡陣列設計

考慮到激光器輸出存在微小線寬，團隊在ZEMAX中進行色差分析：設置線寬1nm，以405nm為中心波長，添加404.5nm和405.5nm參考光。分析結果顯示，全視場波像差均在0.25λ以內（圖10），MTF雖有下降但仍≥40%（圖11），系統對微小色差具備良好容忍度。

圖10 考慮色差的波相差

圖11 考慮色差的MTF

為解決高斯光束光照不均勻問題，團隊在ZEMAX非序列模式下設計微透鏡陣列勻光系統：選用高斯光源，設置光軸為z軸，微透鏡陣列采用20×20排列，搭配OKP-1材質聚焦透鏡，通過探測器監測確定像面位置（圖12）。該系統能將高斯分布的激光轉化為均勻分布的光束，非相干輻照度集中于0.51~0.90區間（圖13），有效消除光照不均勻影響。

圖12 勻光系統結構

圖13 勻光之后的非相干輻照度分布

5）公差分析與量產可行性驗證

為確保設計方案具備實際生產可行性，通過ZEMAX進行全面公差分析：設置透鏡曲率半徑誤差±0.01mm，元件偏心傾斜±0.01°，選用幾何MTF平均曲線為評價標準，將誤差放大10倍以兼顧分析精度與可讀性。

采用蒙特卡洛算法進行仿真驗證，生成滿足公差要求的隨機鏡頭數據并按正態分布評估。結果顯示，前10項誤差主要來自非標準面加工偏心，實際誤差僅為仿真值的1/10，90%的成品MTF>0.7692，完全滿足工業加工精度要求，證明該設計方案具備量產潛力。

性能優勢與技術突破

1）核心性能優勢

相較于現有技術，本設計具備三大顯著優勢：

• 超高分辨率：實現0.625μm分辨率，遠超此前同類設計的1.2μm~3.5μm水平，能完成更精密的芯片結構加工；超低畸變：成像畸變控制在0.0159%，有效保障電路圖案的精準復刻，提升芯片性能一致性；勻光效果優異：通過微透鏡陣列設計，將高斯光束轉化為均勻照明，解決光刻線條高度均一性問題，降低良品率損耗。

同時，系統具備良好的環境適應性與工藝兼容性，對激光器輸出線寬帶來的微小色差具有容忍度，公差分析驗證了量產可行性，為工業化應用奠定基礎。

2）關鍵技術突破

本設計的技術創新集中體現在兩方面：一是雙遠心+海普岡組合結構設計，通過前組雙膠合透鏡與后組Petzval-海普岡復合結構的優化耦合，實現了高分辨率與低畸變的協同提升，突破了傳統結構難以兼顧多性能指標的瓶頸；二是微透鏡陣列與聚焦透鏡的一體化勻光設計，在ZEMAX非序列模式下完成精準建模與仿真，有效解決了光刻照明均勻性這一行業共性問題。

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參考文獻：

[1] YANG Jiagen, HAO Bokai, WAN Linfeng, WANG Shuangbao, XU Zhimou, ZHANG Xueming. Design of Micron Scale Digital Lithography Miniature Projection Objective[J]. Infrared Technology, 2025, 47(6): 696.

[2] HU Siyi. Design of Objective Lens for Long-focus Deep Digital Grayscale Lithography[D]. Wuhan: Hubei University of Technology, 2013.

[3] LIU Haiyong, ZHOU Jinyun, LEI Liang, et al. Design of objective lens for digital lithography micro-projection system[J]. Optoelectronic Engineering, 2013(7): 57-62.

[4] KUANG Jian, ZHOU Jinyun, GUO Hua. Design of asymmetric projection objective lens for digital lithography[J]. Applied Optics, 2016, 37(1): 52-56.