数字光刻缩微投影系统物镜的设计

数字微反射镜(DMD)是 目前唯-能用于快速且大批量光刻生产中的纯数字化空间光调制器，它作为数字光刻的动态掩模，能实现实时、高效和低成本的图形转移，能解决传统的掩模光刻遇到的掩模板制作困难和成本上升等问题L1 J。基于 DMD的数字光刻机系统迅速得以发展，但绝大多数应用在掩模板的制作和微光学元器件的加工，其核心部件-投影物镜的结构复杂且成本比较高 J，如果不加改进，直接应用到PCB光刻领域，则会使成本直线上升而得不偿失。韩国电子巨头 LGE已经把数字光刻系统应用到平板显示器(FPD)的光刻领域中，并且能完成 100英寸的FPD的制作，当缩微投影物镜的分辨本领高于 10 pm，收稿 日期 ：基金项目：作者简介：通信作者：2013-03-18； 收到修改稿日期：2013-06-14国家自然科学基金资助项目(60977029)；国家自然科学基金青年基金(61107029)刘海(1986·)，男(汉族)，湖南耒阳人。硕士研究生，主要从事光学设计和光刻的研究。E-mail：liuhaiyong optics###163.corn。

周金J(1962-)，男(汉族)，河南信阳人。博士，教授，博士生导师，从事工程光学研究。E-mail：zhjy###gdut.edu.cn。

http：//58 光电工程 2013年 7月能满足智能手机、平板电脑等显示屏中的氧化铟锡(ITO)和 PCB的特征线宽要求，5～12 gm能满足LCD光刻线宽的要求 。J。

以往我们以库克结构为初始点，设计并优化得到了分辨力在 10 gm且结构简单，基于 35 1 nm准分子激光大面积 PCB光刻系统物镜 ，之后进-步改进得到了分辨力高于 7 gm且曝光面积更大的对称式双高斯型投影物镜 j，我们致力于研究基于数字光刻机系统在 PCB领域的应用，在苛克三片式物镜的基础上，本文提出了-种应用于 FPD光刻领域的缩微物镜，该物镜应严格控制像面畸变量，具有双远心结构以避免DMD偏转产生的离焦，消除DMD栅格所带来的衍射效应，并且结构简单没有复杂的光路。针对上述要求，设计并优化了结构简单的 6片式，分辨能力达 3.5 gm且适用于 0.7XGA型 DMD的缩微投影物镜。

1 设计要点1.1 4厂成像系统由于物镜的物面是 DMD而非固定不动的掩模板，DMD芯片中数百万的微反射镜通过偏转±12。对光进行调制，这会导致微反射镜偏离物平面而不再处于同-个平面上，影响线宽放大倍率；在光刻过程中，基板的反复变更会导致其曝光面处于离焦状态，同样会对线宽放大倍率有较大影响，为了确保 DMD微镜和基板的离焦不影响线宽的放大倍率，必须把物镜设计成双远心结构〖虑到 DMD微镜之间是有-定的空隙，这些空隙经物镜成像后呈现为栅格线条简称栅格效应，它极大地破坏了光刻图形的成像质量，为了削减栅格效应，投影系统可以设计成 4厂成像系统。

因此，我们把投影系统设计成如图 1所示的 成像系统，该系统具有双远心结构，由透镜前组和透镜后组构成，DMD放置在透镜前组的物方焦面上，孔径光阑设置在透镜前组的像方焦平面和透镜后组的物方焦平面的重合面上，基板放置在透镜后组的像方焦面上，从而形成了 投影成像系统，该系统的入瞳和出瞳都在无穷远处，就有入射和出射主光线都与光轴平行，保证了物点的成像光束主光线不随物体位置而变，则DMD微镜和基板的微小离焦不会影响线宽的放大倍率。该4厂成像系统相当于傅立叶变换光学系统，光阑面便相当于频谱面，上面的孔径光阑可起到滤波作用从而削减 DMD栅格效应。

鲫 、Base～、 ～～ ， ， f 五图 1 投影系统简图Fig.1 Projection system schematic1.2像差校正DMD对波长在 400-760 nlYl光的反射率在 90%以上，400 nm以下的光对 DMD的像素有极大损伤；投影系统的分辨力为R0.8 (当 TF≥0.6)，如要达到更高分辨率，需要选择较短波长的光；而半导体激光器的使用寿命是其他传统紫外灯的 8倍，则该数字光刻系统拟采用 405 nm半导体激光器为照明光源，其带宽非常窄，只有几个纳米，所以可以忽略物镜的色差，只考虑校正球差、畸变、象散、场曲和彗差。

1.3参数指标0.7XGA型DMD由 l 024 pixels×768 pixels组成，每个像素的尺寸为 13.68 gm×13.68 gm，DMD整个尺寸为 14.008 mm×10.506 1113且对角线为17.205 rnnl，因此，当基板上成像像素尺寸为3.5 gm×3.5 pm时，放大倍率应该为 .3.5/13.68.0.255 8。为了给光刻系统其他部件留出足够装配空间，投影物镜的总长设为 260 mlTl左右。由光衍射原理可知，当光以 24。入射角入射到DMD上，其反射光的 0级主极大衍射http：/1第40卷第7期 刘海勇，等：数字光刻缩微投影系统物镜的设计 59光线垂直DMD表面，1级和2级衍射光线偏离主极大角分别为1.8。和3.6。，当设定物镜的数值孔径为NA0.1时，二级衍射光敲能通过孔径光阑 引，物镜其他主要参数如表 1所示。

表 1 投影系统主要参数Table 1 Main parameters ofthe projection system2 物镜设计2.1初始结构选取我们需要设计 系统物镜，望远镜的放大倍率公式为 - / (1)式(1)在这是适用的， 和 分别为透镜前组和透镜后组的像方焦距，由上文可知 -0.255 8，可以把 初步设为-0.25，当我们设定共轭距为 300 mm时，则由式(1)可初步取 为 120 mm， 为 30 mm。因为孔径光阑处在透镜前组的像方焦面和透镜后组物方焦面上，前组和后组分别按逆向和正向光路设计，则透镜前组和透镜后组的入瞳直径尺寸大el，N为孔径光阑的尺寸大小，设孔径光阑的值径为J[)，透镜组的像方焦距为厂 ，像空间指数F的定义式为Ff /D (2)则前组的像空间 后组的4倍，在空气中有：NAsinU D/2f (3)己，m 为最大孔径角，由前文可知 NA0.1，则系统像空间 5，透镜后组决定整个系统的光学性能，可以把后组F设为5，则前组F设为20，本视城可由下式确定：0arctan(Y / ，) (4)Y 为 DMD芯片的对角线尺寸的-半，.该 DMD对角线尺寸为 17.205 mm，为了给DMD装配留空间，我们取Yr9 mm，当 为 120 mm时求得 0-4.3。，可见视场比较新克三片式物镜是能同时矫正五种单色像差的最简单的结构，很适合小视场大孔径的物镜设计，为了更好地矫正球差和彗差，我们以-块双胶合透镜代替了其中的-块正透镜，前组和后组改为柯克三片式物镜，其初始结构如图2所示。

上 4 52.2玻璃材料用如此简易结构来达到投影物镜高分辨力的要求，应选择折射率稍偏大的玻璃；光刻物镜对像差的要求比较严格，为了更好地消除五种像差，光阑两侧对称的透镜使用相同的玻璃材料，这样利于像差补偿相消；为了控制成本，选择国产玻璃。因此，1和6号透镜选择K9玻璃，2和5号透镜选择zFl玻璃，胶合透镜 3和 4中的正透镜选 K9玻璃、负透镜选 ZF1玻璃。

http：//光电工程 2013年 7月2.3结构优化在初始结构确定以后，优化过程繁琐且极具技巧性，先用均方根(RMS)像点尺寸(Spot Radius)优化函数来进行初步优化，接着用波前(Wavefront)优化函数进行优化，优化的过程中应控制所优化的变量为-定值或者在-个区间变化，以保证正透镜厚度大于3 mlTl且负透镜孔径与中心厚度的比值小于 1/10-1/15，且保证其他各参数满足设计要求。以曲率半径，光阑位置，空气间距，玻璃厚度为次序作为优化变量，-点- 点地反复进行优化，先分开优化透镜前组和透镜后组，再两组拼接-起进行优化，最后得到最大物面为18 mm(DMD对角线为 17.205 mm)，数值孔径为 0.1且达到衍射极限的缩微投影物镜，其基本结构如图3所示，透镜各参数如表 2所示。

图3 投影物镜三维图Fig.3 3D layout ofprojection lens表 2 各曲面半径及厚度Table 2 Radius and thickness ofeach stirfaceurtace 10 l1 12 13 14 l5 16 17Thickness/nun 5.276 O.000 O.985 O.050 5.633 7.253 6.975 9.2193 结果分析设计优化后的的缩微投影物镜，已经达到了衍射极限分辨能力3.5 gm，DMD相当于二维光栅，其像素间隔为 1 gm，但经过该数值孔径为O.1缩微物镜后成像为0.25 m，约为缩微物镜分辨力的7.1%，栅格效应可见度这时可以忽略不计 J。为了更好地解释该物镜的成像质量，选取了物高为 0 mlTl，6 mlTl，9 ITI1TI三个具有代表性的视厨行研究，详细分析如下。

3.1波像差波像差(OPD)IO光程差，对于达到衍射极限的光学系统，波像差图能更好地反映其成像质量，依据瑞利判据，-般认为系统最大光程差小于 2/4时即达到衍射极限。优化后的投影缩微物镜的波像差如图4所示，依图可知，全视场内最大波像差值小于2/5，说明该缩微物镜已经达到衍射极限。

3.2场曲和畸变场曲和畸变分别能反映整个像面弯曲和变形情况，从图5Ca)可知，象散和场曲都被控制在 3 pm以内；光刻物镜对畸变要求非常严格，由图5(b)得到，最大相对畸变小于 0.017%，满足设计要求。

3.3调制传递函数 (MTF)调制传递函数(MTF)是直接评价光学系统分辨力和焦深的较好方法。由图 6(MTF-频率图)可知空间频率为 145 lines/mm处的调制传递函数值大于O.58，对于光刻投影物镜-般要求Fray>0.5，说明该缩微投影物镜在特征线宽为3.5 Ixm的成像具有较好的对比度。由图7(MTF-焦深图)可以看出焦深在-0.015到0.015之间时，空间频率为 145 lines/mm处的 FUrF>0.6，-般 MTF以 0.4为最低标准，则该缩微物镜的焦深为30舯1，在该范围内均可达到设计所需分辨力。

http：ll61售兰0毫墨Field curvature/ (a)图5 场曲和畸变图Fig.5 FieldcurvatUreand 椭 74.5O- i incycles permilimeerS patialfrequencyincy图6 MTF 频率曲线图P。ly maticdifrac啪 售当耄墨(b)TS9.00o0MMFocus shift/ram图7 MTF 焦深曲线图嘲 Poly m衢 ghhttp：//62 光电工程 2013年 7月表 3 公差限制Table 3 Tolerance limit4 结 论通过以上基于 Zemax软件镜头设计结果的分析可以得出，该数字光刻缩微投影物镜具有 3.5 m的分辨本领，曝光面积直径 4.2 1TI1TI，它的结构简单，且易于加工，能满足目前市场上平板电脑、智能手机的 ITO和 PCB生产领域的需求，具有较高的市场应用价值。虽然该物镜-次曝光面积比较小，如果应用到大面积 PCB的高效生产中，只需该物镜配合数块 DMD进行无缝扫描，为下-步的研究和实践提供了有效的方法。