物方远心系统的设计

本科生毕业设计（论文）物方远心系统的设计Object Side Telecentric System Design
摘要
光刻是大规模集成电路的制造过程中最为关键的工艺，光刻物镜是光刻的核心，其性能直接决定了光刻的图形传递能力。

本文首先对光刻物镜的整个背景作了介绍，阐述了光刻物镜的技术发展过程和未来的发展趋势。

并设计了一个光刻物镜的光学系统。

从光学设计要求出发，分析了影响光学系统成像质量的各种主要误差因素。

通过ZEMAX软件确定了我们的镜头的光学设计结果。

并且进一步地，通过ZEMAX模拟，确定了加工容差，并对其加工和装校过程作了阐述。

关键词：光学设计远心光路物方远心系统
ABSTRACT
Lithography is the most important technics when manufacturing of Large Scale Integrate Circuit.The lithography lens is the core of thelithography, whose capability determines the transfer capability of the pattern directly. The large field projection lithography lens is the one. In this paper, the background of the lithography lens is represented firstly, Expounds the photolithography process and the technological development of the objective trend of the development of future. Design a photo of the objective optical system. we analyzed the various factors which may cause the image quality deterioration of the optical system especially for this type of lenses :in this paper, by ZEMAX simulation we get the result of the lens design, and more, we set the tolerance both for optical parts and mechanical parts, also the procedures of the adjustment and assembly for the whole lenses are described.
Keywords: Lithography objective Resolution Telecentric beam path
目录
第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2光刻技术的发展和前景 (1)
1.2.1光学光刻 (2)
1.2.2极紫外光刻 (3)
1.2.3X射线光刻(XRL) (3)
1.2.4电子束光刻(EBL) (4)
1.2.5离子束光刻(IBL ) (4)
第二章物方远心光学系统原理 (6)
2.1景深 (6)
2.2焦深 (7)
2.3物方远心光路 (7)
第三章光刻物镜光学系统设计及优化 (10)
3.1光刻物镜初始结构选取 (10)
3.2光学系统的优化 (12)
第四章光学元件绘图 (16)
4.1光学系统图 (16)
4.2光学胶合图 (17)
4.3光学零件图 (18)
4.4显微光学系统零件图纸 (23)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
第一章绪论
1.1引言
从20世纪60年代到现在，半导体技术的发展十分迅速，根据以往一直到现在的结果来看，“摩尔定律”所描述的状况仍然具有很大的现实意义。

“摩尔定律”当中的描述为，每隔18-24个月，单个芯片上的晶体管数目将增加一倍。

从迄今为止的情况来看，集成电路已经由一开始的每个芯片上包含有几十个器件发展到如今的每个芯片上可以包含有上亿个器件的状况。

比方说，Intel公司1993年推出的奔腾芯片包含了310万个晶体管，2001年推出的奔4芯片则包含了5500万个晶体管，2006年推出的芯片集成17亿个以上的晶体管。

我们说提高集成度能改良半导体元件的性能和降低半导体元件的成本，而要提高它的集成度的主要方法是减小半导体元件的特征尺寸的大小。

半导体元件特征尺寸的减小是通过光刻技术光刻后达到的特征线宽的缩小来达到的。

在半导体技术飞速发展的过程冲，有一个十分重要的原因，就是光刻技术的分辨率不断地在提高。

这主要是因为：
(1)从成本上来比较各种技术，光刻方法是最小的。

(2)从各种技术的成熟度上来看，光刻技术是最成熟的。

所以在不断快速发展的各种
技术上，对光刻设备的改造和对光刻技术的更新所花费的代价将会相对较小。

(3)从发展的前途上来看，以前人们认为对亚微米，亚半微米以下的分辨率，光刻技
术将会遇到无法跨越的难题，但是从目前的发展趋势来看，通过各种新技术的应用和发展，使人们发现光刻技术的应用前景还相当广阔，从而使得光刻技术成为各半导体厂家争相研究的技术。

1.2光刻技术的发展和前景
我们知道，光刻技术的不断进步是在光刻镜头的特征线宽不断缩小的过程中取得的。

要了解在目前以及今后一段时间内光刻技术将会有如何的发展过程，我们可以通过国际半导体技术机构ITRS于2001年发布的表1-1来知晓。

表1-1 ITRS2001
当前的光刻技术中，光学光刻仍处于主流地位。

此前早些时候，有一种比较普遍的看法认为光学光刻技术所能达到的极限分辨率为0.5um，但是实际上到目前为止光学光刻的
分辨率己经达到了0.1um以下。

不过由于光学光刻技术的许多技术瓶颈，在解决2007年将要用到的70nm，2010年的50nm的难关时，或许光学光刻将会显得无能为力。

所以，光学光刻以外的光刻技术，也获得了相当大的发展，这其中主要包括极紫外光刻(Extreme Ultra-Violet)，X射线光刻(X-Ray)，电子束光刻(Electron-Beam Direct Write )，离子束光刻(Ion-Beam Projection)等等。

1.2.1光学光刻
从上个世纪60年代初期开始，传统的光学曝光技术经历了从接触式曝光，接近式曝光，分步重复投影式曝光，到扫描投影式曝光。

目前采用的光刻机基本上都采用了投影式光刻机(如图1-1所示)。

图1-1投影光刻机的工作原理
图中，准分子激光器作为照明光源，激光光束通过照明系统形成部分相干、环形、均匀光束照明掩模台上的设计好的掩模(Mask)，将掩模图形通过投影物镜投影到工件台上涂有抗蚀剂(Resist)的硅片上，使得抗蚀剂曝光，通过显影可在抗蚀剂上获得与掩模相同或互补的图形，最后经过刻蚀可将图形传到硅片上，从而实现掩模图形向硅片图形的转换。

另外一方面，由于半导体生产成本的增加，人们越来越重视设备投资在总成本中的比重，随着芯片尺寸的不断增大，大视场光刻的应用能降低曝光的成本，所以步进扫描设备也被更多地运用。

分布扫描(step&scan)光刻的原理如图1-2。

图1-2分布扫描光刻原理图
但就目前来说，光学光刻仍然是主流技术。

2003年，采用193nm波长的0.13um 工艺已经大规模量产。

但是，从另一方面来看，Intel己经正式宣布放弃了157nm的光刻技术，从0.09um工艺一直到将来的0.045um工艺都希望在193nm的工艺上完成，而计划在0.035um的工艺时再转向极紫外光刻技术。

Intel的这一举动一方面说明其对光学光刻技术可挖掘潜力的怀疑，另一方面也说明其对用光学光刻技术解决0.05um难题充满信心。

1.2.2极紫外光刻
极紫外光刻采用波长为10-14nm的极紫外光作为曝光光源。

这项技术一开始称作软X射线光刻，但在NGL研究中，现在一般称软X射线光刻为极紫外光刻技术(EUVL)，并被放到了相当重要的位置。

但是这个范围内的曝光光源在光学材料中吸收强烈，所以需要采用反射的方式来实现曝光。

以投影式极紫外光刻为例，采用高功率激光器照射到靶材上，产生宽带辐射，其中有可观的EUV辐射。

用反射式聚光系统吸收EUV辐射并投射到母板上。

母板反射的EUV辐射把掩模图形再经过一个全共振反射的成像系统，缩小投影成像到涂有抗蚀剂的硅片上。

EUVL与以前所有的光学光刻都很不一样，由于波长在10-14nm的极紫外光在材料中的强烈吸收，在它的聚光和成像光学系统中采取了一系列共振反射器，这对EUVL光学系统是一个很大的限制。

EUVL的关键技术难题还包括EUV光源、母板、精密光学系统、及元件的制造等。

2001年4月，Intel,AMD公司与美国的三个国家实验室在加州Livermored的Sandia 国家实验室联合研制的EUVL样机被视为光刻的一个重要里程碑。

据国际半导体杂志介绍，采用的13nmEUV光源是由几个研究单位联合研制;反射镜的光学表面为非球面，表面粗糙度小于一个原子直径;达数十层的反射膜，每层膜厚的精度控制在0.1埃以内:制作适用于短波长的无缺陷掩模难度极大;样机采用nm级精度的无摩擦磁悬浮工作台。

用这样一种光学系统来进行大视场、小波前畸变、高产出曝光的可行性仍有待证实。

但是今年来在软X射线高反射率镜面方面的进展使得EUVL看起来成为可能，因此被认为是替代光学光刻的主要侯选者。

1.2.3X射线光刻(XRL)
X射线的波长很短(0.1nm-50nm)，曝光是通过掩模后的衍射和散射几乎可以忽略，因此可获得较高分辨率的图形。

今年来人们一直致力于X射线光源和掩模的研究，使之成为有竞争的下一代曝光设备。

目前，获得X射线普遍采用的是昂贵的同步辐射X射线源，这限制X射线光刻大规模的推广和应用。

激光等离子体X射线源正在研究中。

由于X射线穿透力很强，目前多数的光学系统不能对它进行反射或折射，因此多采用接近式曝光(PXL)。

掩模板的制作也是X射线接近式光刻的关键工艺，由于接近式暴光采用的是1: 1的掩模图形，即掩模板上的图形和传递到芯片上图形大小一样，因此这种掩模在制作方面比投影光
刻中所用的掩模要困难得多，同时还难以获得具有良好机械物理特性的掩模衬底。

因此，关于掩模和X射线光源的研究一直是X射线射线光刻的热点问题。

近年来在掩模技术方面的研究取得了较大进展，目前认为SiC是最合适的衬底材料。

除了以上两个方面以外，X射线光刻技术的实用性还取决于抗蚀剂、光刻元件、光刻系统等。

XRL一度被认为是替代光学光刻的最佳侯选者，但由于光学光刻技术的发展和其它光刻技术的新突破，它不再是未来“唯一”的侯选技术，美国最近对XRL的投入有所减小。

尽管如此，日本等国仍然对XRL技术给予了足够的重视。

即使未来光学光刻的替代技术不是XRL，但是由于X射线的超强穿透能力，适用于制作大深宽比微结构，因此，XRL在微机械、微系统中同样具有广阔的应用前景。

1.2.4电子束光刻(EBL)
电子束光刻( EBL)采用高能电子束对抗蚀剂进行暴光从而获得结构图形。

由于电子束的德布罗意波长为0.004nm左右，因此EBL几乎不受衍射效应的影响，可获得极高的分辨率和焦深，并能直接产生图形。

当前，EBL广泛应用于光学和非光学光刻技术中的高精度掩模制造，同时也是加工用于特殊目的的器件和结构的主要方法。

由于EBL 生产效率低，远小于目前对光刻产能的要求，限制了其进一步使用，因此，在高分辨率条件下获得更高的生产效率是EBL研究的重点。

1995年，贝尔实验室提出了与原有的电子束投影光刻技术完全不同的“限角散射投影电子束光刻方法”---SCALPEL技术，它避开了常规掩模版所遇到的困难，给电子束光刻注入了新的活力。

SCALPEL采用高亮度电子源，其掩模是由在低原子序数材料上覆盖高原子序数材料层组成，电子束经磁透镜聚焦对掩模进行均匀照明，并采用特殊过滤技术去除掩模吸收体产生的散射电子，最后经缩小投影在硅片上获得高反差的缩小掩模图象。

SCALPEL的优点在于分辨率高、焦深长、生产率高，一度被众多厂一家看好。

1.2.5离子束光刻(IBL )
离子束光刻(IBL)采用液态原子或气态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对涂在硅片上的抗蚀剂进行暴光。

IBL技术的原理与电子束光刻(EBL)类似，只不过离子的质量比电子更大，德布罗意波长更短(小于0.0001nm)，具有邻近效应小、分辨率比EBL高等优点，但同时由于离子质量较重，使得在抗拾剂上的暴光深度有限，一般不超过0.5um。

对IBL的研究起源于上世纪70年代，但从80年代液态金属离子源出现之后，IBL 技术才真正得到发展。

IBL主要包括聚焦离子束光刻(FIBL)、离子束投影光刻(IPL)等。

其中FIBL发展最早，最近在实验室研究中己经获得10nm的分辨率。

由于FIBL效率低，很难在半导体生产中作为暴光工具使用。

基于提高生产效率的目的，又发展了具有较高暴光效率的IPL技术。

1997年，欧洲应用微电子开发组织(MEDEA)开始研制全视场IPL工艺设备，目前IPL己经克服了许多技术难题，现在正在对离子光学柱、图
象锁定系统进行攻关，力争尽快推出商业化设备。

总的看来，离子束光刻尚处于发展阶段，需要解决抗蚀剂的暴光深度、掩模制作、高能离子束源及离子束的聚焦等问题，距离实用化还需一定时间。

目前IBL主要用作掩模的修补工具和特殊器件的修整。

第二章 物方远心光学系统原理
2.1 景深
景深顾名思义是指能成清晰像的景物空间深度。

人们在照风景照时，总希望相机有较大的景深，能把人物前后的美好风景一起成像在底片上，也就是说要把某一个空间内的物体成像在一个平面上。

从理想光学系统的共线成像理论角度来看，这显然是有矛盾的。

因为根据理想光学系统的共线成像理论：物空间内的每一点对应于像空间中相应的一点，且只有一点与之对应，此两点称为共扼点；物空间内的每一条线对应于像空间中相应的一条线，且只有一条直线与之对应，此两线称为共扼线。

由此可以推论：物空间的每一个平面对应于像空间中相应的一个平面，且只有一个平面与之对应，此两平面称为物空间和像空间的共扼面。

那么空间物体能不能在一个平面上成清晰像呢？ 实践证明是完全可能的。

图2-1 景深
现在结合图2-1我们来讨论这个问题，为了清楚图中只用入射瞳和出射瞳来表示光学系统。

A 平面是物平面，'A 平面是与A 共扼的像平面，空间点1
B 和2B 位于物平面之外，1
B 和2B 经光学系统后的共扼点分别为'1B 和'2B ，由于点1B 和2B 不在A 平面上，所以点'1B 和
'2B 也不在'A 平面上，空间点1B 在A 平面上的投影是弥散斑1D ，其共扼点'1B 在A 平面上的投影是弥散斑'1D ；空间点2B 在A 平面上的投影是弥散斑2D ，其共扼点1D 在'A 平面
上的投影是弥散斑'2D ，显然，1D 与'1D 共扼，2D 与'2D 共扼。

如果在像平面'A 上设置光
能接收器(如底片，人眼等) ，对空间点1B 和2B 来说，光能接收器所接收到的是它们的
共扼点'1B 和'2B 在像平面上的弥散斑'1D 和'2D 。

由于任何光能接收器的分辨本领都有一
定限度,比如对人眼来说，当两个物点对人眼的张角小于'1时，人眼就会认为是一个点。

因此，实际上并不要求光学系统像平面上所有的像点都为一几何点，只要其在像平面上的弥散斑足够小就可以了。

这说明一个光学系统能否对空间物体成清晰的平面像决定于：
1 、物平面之外的空间点经光学系统后在像平面上的弥散斑大小。

2 、光学系统光能接收器的分辨能力。

因此，只要物平面之外的空间点1B 和2B 经光学系统后在像平面上的弥散斑足够小，那么光学系统的光能接收器就会认为该弥散斑也是一个点。

此时在1B 到2B 点之间的空间内的物体经光学系统后均能在像平面上成清晰的像，1B 点和2B 点之间的空间就是能在像平面上获得清晰像的物空间深度，简称景深。

2.2 焦深
影响光学仪器的景深有诸多因素，如影响照相机景深的因素主要有：光圈大小，光圈愈小景深愈大；相机镜头焦距的长短，镜头焦距愈短景深愈大；物距愈大景深也
愈大。

和上述情况类似，假如物平面位置固定为A 平面，当像平面位于'1B 或者'2B 时，
A 点的像在'1
B 平面或'2B 平面上将不形成点像，而形成弥散斑。

如果这个弥散斑对光能
接收器来说是足够小的话，那么位于'1B 或者'2B 平面处的光能接收器仍将认为该弥散斑
也是一个点则此时光能接收器认为光学系统所成的像仍是一个清晰像点，因此说把物面位置固定时所成的清晰像面沿光轴的移动量，称为焦深。

2.3 物方远心光路
然而，并不是所有的光学仪器都希望有较大的景深和焦深。

对于某些测量用的光学仪器，希望它们有较小的景深和焦深。

例如读数显微镜希望它有较小的景深，因为景深的存在直接影响到这类仪器的测量精度，如图2-2是读数显微镜的光学系统原理图，它由物镜、分划板和目镜组成。

分划板即为刻有刻度的平玻璃板，它固定在物镜的实像面处。

被测物体AB 经物镜成像为''B A ，在分划板上，眼睛通过目镜勘观察和读数，在分划板上所读出的像高''B A 除以物镜的横向放大率后即为被测物体的高度。

图2-2 读数显微镜光学原理图
从上述测量原理可以看出，测量精度的高低在很大程度上取决于实际像平面和分划板刻划面的重合程度。

由于景深的存在，只要被测物体处在光学系统的景深范围之内，被测物体都可以经物镜在分划板上成清晰像。

此时，实际像平面与分划板刻划面可能没有重合，测得的读数可能大于实际值，也可能小于实际值。

当实际像面位于分划板刻面之前测量读数小于实际值；若实际像面位于分划板刻面之后则测量读数大于实际值。

这种实际像面与分划板刻面不重合的现象称为视差。

图2-3 物方远心光路
为了克服这种由于景深存在而引起的测量误差实际光学系统中经常采用一种称为物方远心光路的特殊光路来解决，这种特殊光路如图2.3所示。

它的特殊之处在于把光学系统的孔径光阑设在物镜的像方焦平面上，这样从物体上各点发出的光束经物镜后，其主光线均通过孔径光阑中心所在的像方焦点'F 处；而在物方则平行于主光轴。

因此，物体上同一点发出的成像光束的主光线不随物体位置的改变而改变。

当物体21B B 正确
地位于与分划板刻划面'A 共扼的1A 处时，它成像在分划板刻划面上，其像高取决于成像光束的主光线在分划板刻划面上的交线高度。

图中像高为21M M 。

，当物体上两点21B B 由于调焦不准(实际上是由于光学系统景深的存在)而位于2A 处时，它的像'
2'1B B 将偏离分划板刻划面，此时在分划板刻划面上得到的是两个弥散园斑，而弥散园斑中心则是成像光束主光线在分划板刻划面上的交点。

由于在这个特殊光路中，物体上某一点所发出的成像光束主光线不随物体位置移动而改变，所以物体21B B 从1A 移动到2A ，但其成像光束的主光线并没有改变，仍通过分划板刻划面上的1M 和2M 两点，在分划板刻划面上按两个弥散园中心读出的像高仍然为1M 2M ，这样由于调焦不准或者说由于景深的存在而产生的视差并不影响测量结果。

在这个特殊光路中，由于孔径光阑设在物镜的像方焦面上，使得入射瞳在物空间无穷运处，平行于光轴的物方主光线好像是从
物空间无穷远的入射瞳中心发出的，所以称这种光路为物方远心光路。

第三章光刻物镜光学系统设计及优化
通过前面两章的介绍，我们大致了解了投影光刻物镜的几个基本指标以及当前的技术现状。

光刻物镜作为光刻机的核心，其性能直接决定了光刻的图形传递能力。

对于投影光刻物镜目前的发展趋势来说，一方面向深亚微米、高分辨率方向发展，其主要用于超大规模集成电路的生产制造;另一方面，目前用的方法获得的导线太宽、密度太底等，为此用投影光刻方法来制作大面积、高分辨率印刷线路板具有重要的意义，这种光刻的分辨率虽然和上章所讲的指标有一定差距，但是要求一次光刻的面积大，所以大视场投影光刻物镜的研制也是一个主要的发展方向。

3.1光刻物镜初始结构选取
其各项主要技术指标为：采用物方远心光路，放大倍率是1.5倍，F数7.5,畸变小于1%。

根据以上的分析，参照各项镜头指标参数的要求，然后通过光学设计软件ZEMAX 计算该镜头的光学成像质量，对球差、彗差、像散和畸变等像差进行优化。

光学传递函数MTF反映了各个像差对设计指标的影响。

根据论文要求的参数，以及光学系统像质要求，从光学镜头手册上选取如下的初始结构参数图3-1：
图3-1初始结构
图3-2、3-3、3-4、3-5为初始结构光学系统图及相差曲线图。

图3-2 初始结构图图3-3 初始MTF
图3-4 初始球差
图3-5 初始点列图
3.2光学系统的优化
由于初始结构的像质不是很好，且达不到光学系统所要求的各种参数，因此我们采用zemax仿真软件对其进行仿真，并进一步优化，力求得到一个较好的物镜。

选择主菜单Editors下的Merit Function ，打开优化函数界面，再在该界面中的Tools 下选择Default Merit Function。

在最前面插入一个面，将焦距设为优化操作数，即Type
中输入AXCL，选取0.707波带，目标值Target中输入0，权重Weight设为1。

单击快捷按钮中的Opt,并点击Automatic，系统执行自动优化。

优化后发现结果比之前好很多。

物镜形状，MTF值，点列图，球差曲线图等基本都达到了设计要求，图像如下图所示：
图3-6优化后的系统图
从图上可以看出物镜形状比较合适，且光路符合设计要求。

图3-7 优化后的MTF曲线
图3-8优化后的球差曲线图3-9 优化后的点列图
图3-10优化后的畸变、象散
图3-11 优化后的波球差
为了使优化效果更为完善，我们可以调出塞德和数，观察哪些面对像差的影响较大，然后对该面的半径进行手动微调。

第四章光学元件绘图
光学制图的对象是光学零件。

而光学零件至少是具有一个平面或球面，或非球面的有光学效应的结构元件。

光学制图的内容包括图样、尺寸标注和标记符号的使用三个方面。

图样包括视图、剖面、引出线、倒角和检验范围。

尺寸标注包括对透镜、平板玻璃、棱镜、反射镜、滤光镜等光学零件的尺寸标注方法，以及在光学零件制图中使用的特殊符号和特征号。

4.1光学系统图
1、一般按光路前进方向是自左到右、自下而上绘制，亦可根据使用位置绘制。

2、光学系统图应绘出（或表示出）：
1)属于该系统的光学零件、光学胶合件、光源和接受器
2)与机械结构有关的特征位置（见图4-1中转轴中心线）。

亦可根据需要绘出物面、像面、光阑、光瞳、狭缝、眼点、特征面（如分划面、镀膜面、毛面……等）和被测物体等。

3、可活动部分绘于初始位置，亦可根据需要绘出极限位置（见图4-1）
4、光学系统中有多个分划元件（如分划板、度盘、标尺等）在同一视场中成像时，可将像面上的视见情况绘出示意图，并注出“视见示意图”字样。

此图的比例可以不与整个图样一致，细节允许夸大。

5、光学系统图应标注以下尺寸：
1）各组成部分以及与机械结构有关的特征位置之间的相对位置
2）光阑、光瞳及狭缝的大小和方位
3）活动部分的变化范围（见图4-1中的100
81），此项亦可列表表明。

~
6、光学系统图上一般以光源、光学零件、光学胶合件和接收器为单元，沿光路前进方向编排序号，置换使用的零件、胶合件序号连续编排（图4-1中的3、4）。

重复出现的相同零件、胶合件均标第一次编排的序号。

最后编排附件序号。

7、光学系统图上应列出该系统的主要光学性能。

亦可根据需要列出组成部分的光学性能、光学结构参数和矢高。

8、根据需要可增绘部件的光学系统图。

9．、根据需要可增绘光学系统轴测示意图。

图4-1即是一个简单的光学系统图。