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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。
设计背景与核心意义
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。
核心设计理论与技术指标
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：
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。
基于ZEMAX仿真优化
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：
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。
性能优势与技术突破
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：
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。
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参考文献：
[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.
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