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Zemax光学设计实例（151）---一个用于光刻的紫外投影物镜的设计参考

2022-1-20 13:40| 发布者：Davis| 查看：1697| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了Zemax光学设计实例，其中包括一个用于光刻的紫外投影物镜的设计参考。文章详细讨论了紫外波段材料选择，增透膜质量与分辨率的关系，高折射率浸液技术，畸变等问题。设计仿真结果显示，该光学系统使用了21个球面透镜的结构来实现分辨率的要求，并采用双高斯物镜的结构来保证像质和畸变。

引言：

紫外物镜可以应用于光学平板印刷术、紫外显微镜、法医照相术等。

与红外物镜一样，主要问题是寻找合适的材料。对0.2～0.4um光谱，主要的材料是熔融石英和氟化钙。几个主要的光学玻璃公司都有开发适用于紫外波段的玻璃系列。

紫外材料蓝宝石和氟化镁常用作某些探测器的光窗，但由于这些材料是双折射材料，所以不能用来制作透镜。增透膜

为了获得高的紫外透过率，需要使用提纯过的SiCl₄来制造熔融石英，然后，直接送入氢/氧火焰中生成SiO₂，由于熔化温度高，很难得到非常均匀的材料，也不可避免会受到污染，从而造成短波长范围的透过率下降。

对于紫外物镜，增透膜的质量也很关键，需要确保短波长范围内，增透膜有很高的透过率。

光刻投影物镜用来生产芯片，对物镜的典型要求是工作在单紫外波长下，有非常高的分辨率。

对于均匀照明的圆形瞳孔，瑞利半径为

瑞利半径内的能量占总能量的84%。

为了提高分辨率，可以减小波长，也可以增大NA。增大NA，虽然可以提高分辨率，但同时使焦深减少很多（平方反比关系）。所以为了提高分辨率，大趋势是减小波长。

只有少数材料在波长小于0.35um波长时还有良好良好的透明性，包括氟化钙‘氟化锂、氟化钡、氟化锶、蓝宝石、金刚石和熔融石英等。它们在短波长下的透明度与材料纯度密切相关。

另外，为了提高分辨率，也可以利用高折射率浸液技术。

对高能量紫外光学件的抛光也是一个难点，例如，对于同样是λ/10表面公差要求，0.193um几乎比0.546um时技术要求高了3倍。

还有，将集成电路制造在一个硅基板上时，需要多次重复工艺，这就要求光学系统有非常低的畸变。一般地，物像空间也必须是远心系统。

技术指标：

设计一个用于光刻的紫外投影物镜，使用的是KrF 0.248um光源，放大率-0.25，像方NA为0.56。

（该设计参考《光学系统设计》（第4版））

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Object Space NA”，并根据设计要求输入“0.14”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Object Height”，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.248um一个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

为了实现分辨率的要求，该光学系统使用了21个球面透镜的结构。为了保证像质和畸变，采用了类似双高斯物镜的结构，通过不断地镜头分裂来优化。因此，该光刻镜头的难点不在于设计与优化，而在于工艺上如何实现。

查看MFE：

查看点列图：

查看畸变：

最大畸变出现在0.7视场，约为0.00014%。弧矢与子午焦点之间的间隔表面存在少量像散。

Ray Fan：

MTF：

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