物方远心系统的设计

1、本科生毕业设计（论文）物方远心系统的设计Object Side Telecentric System Design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ABSTRACTLithography 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

2、 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 simulati

3、on 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 11.1 引言 11.2 光刻技术的发展和前景 11.2.1 光学光刻 21.2.2 极紫外光刻 31.2.3X 射线光刻(XRL)31.2.4电子束光刻(EBL)41.2.5离子束光刻(IBL )4第二章 物方远心光学系统原理 62.1 景深62.2 焦深72.3 物方远心光路7第三章 光刻物镜光学系统设计及优化 103.1光刻物镜初始结构选取 103.2光学系统的优化12第四章 光学元件绘图 164.1 光学系统图 164.2 光学胶合图

4、 174.3 光学零件图 184.4 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

5、) 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期32W42013CD (nm)130如70503022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 O.lum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50n

6、m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)，电子束光亥(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

7、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

8、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

9、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

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