專利名稱：一種直寫式光刻加工系統(tǒng)及光刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光刻技術(shù)領(lǐng)域，具體地，是一種用于制備三維曲面的直寫式光刻加工系統(tǒng)和光刻方法。
背景技術(shù)：
三維曲面(微)結(jié)構(gòu)，在光學薄膜、平板顯不、微光學器件以及微機電系統(tǒng)(MEMS)等諸多領(lǐng)域具有廣泛應用。例如，具有球面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列，也被稱為蠅眼透鏡，可實現(xiàn)光束勻化和陣列成像，廣泛應用于光刻機光源和CCD檢測等領(lǐng)域。又例如，具有V型溝槽和金字塔結(jié)構(gòu)的光學薄膜，具有定向反射的光學效果，廣泛應用于公共交通領(lǐng)域的安全標識。目前三維曲面(微)結(jié)構(gòu)的制作方法主要有，特殊物理和化學工藝方法、精密機械加工和光刻加工共三大類方法，逐一分析如下。特殊的物理和化學工藝方法，是指利用特殊的物理和化學效應生成特定的三維曲面的加工方法。例如，對光刻膠和玻璃等低熔點材料，采用熱熔回流的處理方法，依靠重力和液體的表面張力，很容易獲得球面以及柱面結(jié)構(gòu)。又例如，利用晶體硅的各項異性，進行化學腐蝕，可以獲得V型和金字塔型的槽型結(jié)構(gòu)。這類方法的優(yōu)點是成本低廉，曲面質(zhì)量良好，但是主要缺點是，只能制備特定的少數(shù)幾種曲面結(jié)構(gòu)類型，通用性和靈活性很差。精密機械加工方法，采用金剛石車床和數(shù)控精雕機等精密和超精密加工機床進行材料切削加工，主要設(shè)備供應商以日本東芝和德國庫格勒等公司為代表。該加工方式獲得曲面微結(jié)構(gòu)，面形精度良好，尺寸精準可控，特別適合大批量光學器件和光學薄膜的模具制作。該方法主要有三點不足，一是，設(shè)備價格昂貴，加工成本高，小批量加工難以承受；二是，加工效率低。這是因為精密切削加工獲得所需面形的原理是，由點組成線，由線組成面，從根本上說，是一種串行方式，因而效率相對較低。另外，深度很大的面形，往往需要多次加工，否則會損傷刀具；三是，可加工的曲面類型不夠豐富，靈活性差。一般只能加工回轉(zhuǎn)面和條紋面等較為簡單的曲面結(jié)構(gòu)。特殊曲面和槽型的加工，需要首先對刀具進行精密整形，費工費時。光刻方法生成曲面結(jié)構(gòu)，一般稱為灰度光刻，具體的實現(xiàn)方法有掩膜光刻、電子束光刻以及激光直寫。具體分析如下掩膜光刻的主要不足是其加工的靈活性較差。掩膜光刻是一種基于模版加工，在掩膜光刻之前，必須首先制備曝光的鉻板。另外，采用掩膜曝光進行灰度光刻時，無法對曝光光強的進行精密控制，最終曲面的面形精度有限。灰度光刻一般采用灰度掩膜，這種灰度掩膜表面分布密度不均的網(wǎng)點，需要曝光量大的地方，則網(wǎng)點密度大，透過的光比較大，需要曝光量小的地方，則將網(wǎng)點密度降低，使透過的光比較小。通過這種網(wǎng)點的疏密，近似表達所需的灰度效果，不夠嚴格和精密，所形成的灰度圖形的分辨率往往較低。
電子束光刻系統(tǒng)的成本很高，而且加工效率極低。由于真空腔體的體積的限制，其加工幅面通常很小。另外，由于電子束的曝光原理的特殊性(高能粒子轟擊產(chǎn)生散射)，其曝光工藝不利于獲得鏡面級的光潔表面。最后分析激光直寫。第一類激光直寫系統(tǒng)，采用振幅型空間光調(diào)制器和成像光路。這里的振幅型空間光調(diào)制器，典型代表DMD和LC0S。DMD的直接輸出光場為黑白二值的，但是通過分時累計曝光，可以實現(xiàn)灰度光強。LCOS工作在振幅調(diào)制工作方式下，可以直接輸出灰度光場。受限于空間光調(diào)制器的像素化結(jié)構(gòu)和多級式灰度，其光場灰度的連續(xù)性和準確性仍然不夠理想。另外，這類光刻系統(tǒng)在進行灰度光刻時，為了減小光學吉布斯現(xiàn)象，一般不宜采用激光光源(相干光)，無法實現(xiàn)飛行曝光方式。所謂光學吉布斯現(xiàn)象是指，由于其成像光路的孔徑限制，其輸入光場的高頻信息被濾除，導致其曝光生成曲面結(jié)構(gòu)(包括平面結(jié)構(gòu))時，光場的邊緣和中部均有波紋和起伏。如圖1所示。這類光刻系統(tǒng)在進行灰度光刻時，一般采用汞燈和LED等非相干光源，以提高灰度光刻的質(zhì)量。與激光相比，這些光源難以實現(xiàn)高能量短脈沖飛行曝光方式，在加工效率和定位精度上僅處于中低端水平。需要額外提及的是，以LCOS作為純位相的器件，通過光場重構(gòu)的方法，理論上可以實現(xiàn)任意輪廓的光場分布。這種加工方式的主要缺點是，再現(xiàn)光場的噪聲很大，并且難以消除多級光的影響。另外，傅立葉重構(gòu)的算法雖然有多種，包括G-S算法和Y-G算法等，但是很難獲得曲面光場分布的最優(yōu)解。另一類，激光直寫系統(tǒng)，采用光束掃描器件(或者說偏轉(zhuǎn)器件)和聚焦光路。其輸出光場為單個聚焦點，通過對單光點掃描的精密均勻疊加，可以實現(xiàn)上述的精密曲面微結(jié)構(gòu)。但是其主要問題是單點掃描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光學掃描器件的設(shè)備成本很高?？傊?，現(xiàn)有加工方法無法直接地、高效地、精密地、低成本地制作大幅面的精密曲面微結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出了一種采用干涉光路和多次曝光疊加的直寫式光刻加工系統(tǒng)和光刻方法，用于三維曲面(微)結(jié)構(gòu)制備。疊加曝光的原理基于傅立葉分析理論。根據(jù)該理論，任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，這也被稱為傅立葉級數(shù)展開。對于非周期函數(shù)，通過對其定義域進行周期性擴展，也可將其視為周期函數(shù)，從而仍可通過傅立葉級數(shù)展開。在傅立葉級數(shù)展開的具體方式中，為了匹配干涉光刻曝光光強的余弦分布，可以采用偶式展開(將函數(shù)擴展成偶函數(shù))，從而使得傅立葉級數(shù)的展開項中只含有余弦項，而不含正弦項。雙光束干涉光路，可以獲得嚴格的余弦類型的曝光光強分布，這一點分析如下。雙光束干涉曝光的光場復振幅分布E為余弦函數(shù)，可以記為E=cos(a)，其中a=2 x/d，d為余弦分布的周期，X為幾何坐標。光強分布I等于復振幅分布E的平方，可以記為I=E2=COS2 (a) =l/2+cos (2a)/2。可以看到，光強分布仍是余弦分布，前面的常數(shù)項只會使光刻后的曲面整體下移，對曲面輪廓沒有影響。
根據(jù)上述分析，通過多次干涉曝光累積，同時設(shè)定各次干涉曝光的余弦光強分布的周期，并且控制各次干涉曝光的劑量，可以最終在光刻膠上累積獲得所設(shè)計的特定分布的曝光劑量，顯影后即可可以獲得相應的三維曲面結(jié)構(gòu)。由此，本發(fā)明依據(jù)上述理論，結(jié)合本發(fā)明的目的提出的一種直寫式光刻加工系統(tǒng)，曝光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述曝光系統(tǒng)包括光源、分光器件、第一光學鏡組、可變光闌和第二光學鏡組，所述分光器件為空間光調(diào)制器，所述第一光學鏡組和第二光學鏡組組成縮放投影光學鏡組，所述可變光闌具有位置可調(diào)的單級光通孔，該曝光系統(tǒng)按光源、分光器件、第一光學鏡組、可變光闌和第二光學鏡組的順序組成曝光光路，所述控制系統(tǒng)包括用于將三維曲面進行傅里葉展開的計算器和根據(jù)上述計算器得到的傅里葉多項式進行曝光控制的驅(qū)動控制器，其中所述驅(qū)動控制器包括用以驅(qū)動空間光調(diào)制器顯示的驅(qū)動電路、用以控制可變光闌單級光通孔位置的單軸驅(qū)動電機，以及用以驅(qū)動整個曝光系統(tǒng)進行移動的三軸驅(qū)動電機。優(yōu)選的，所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡元件(Digital Micro mirror Device)或者娃基液晶(Liquid Crystal on Silicon)。優(yōu)選的，所述可變光闌包括零級光擋片以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負I級光可變擋片，所述正負I級光可變擋片與所述零級光擋片之間形成正負I級光通孔。優(yōu)選的，所述正負I級光可變擋片分別連接在所述單軸驅(qū)動電機上，通過該單軸驅(qū)動電機的驅(qū)動，所述正負I級光擋片在所有擋片形成的軸線上做相對移動，使得該正負I級光擋片與所述零級光擋片之間形成的正負I級光通孔的位置與所述空間光調(diào)制器經(jīng)所述第一光學鏡組投影過來的I級光位置對應。優(yōu)選的，所述可變光闌為多組擋光片形成的切換式光闌，其中每組擋光片包括零級光擋片以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負I級光擋片，所述正負I級光擋片與所述零級光擋片之間形成正負I級光通孔，且各組擋光片的該正負I級光通孔的位置不同。優(yōu)選的，所述縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)為5倍、10倍、20倍或50倍，或者所述縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)連續(xù)可調(diào)。同時，依據(jù)本發(fā)明的目的還提出了一種利用上述系統(tǒng)進行光刻的光刻方法，包括步驟I):將待刻三維曲面進行傅立葉展開，得到一全部為余弦函數(shù)的傅立葉多項式；2):根據(jù)步驟I)得到的傅立葉多項式項數(shù)，確定曝光次數(shù)；3):根部步驟I)得到的傅立葉多項式中的每一項余弦函數(shù)，確定每次曝光參數(shù)，進行多次曝光；4):重復步驟3)，直至傅立葉多項式中每一項余弦函數(shù)都進行對應的曝光。優(yōu)選的，所述曝光參數(shù)包括空間光調(diào)制器顯示的光柵周期、曝光劑量、可變光闌的通孔位置，其中每一項余弦函數(shù)中余弦內(nèi)系數(shù)代表了光柵周期的大小，而余弦系數(shù)則代表了曝光劑量。優(yōu)選的，所述曝光劑量通過控制曝光次數(shù)的方式實現(xiàn)控制，該控制曝光次數(shù)的方式采用脈沖曝光方式，對于不同的曝光劑量，采用不同的曝光次數(shù)，且曝光次數(shù)越多，劑量越大。優(yōu)選的，所述曝光劑量通過控制曝光時間的方式實現(xiàn)控制，該控制曝光時間方式，對于不同的曝光劑量，采用不同的曝光時間，且曝光時間越長，劑量越大。優(yōu)選的，在曝光完一次進行下一次曝光之前，需要將曝光系統(tǒng)恢復到初始曝光位置。上述的直寫式光刻加工系統(tǒng)和光刻方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點優(yōu)點一，靈活性好?？臻g光調(diào)制器可視為周期可變光柵，通過改變上顯示圖形的周期，可以改變曝光光場的余弦光強分布的周期。優(yōu)點二，在改變周期的過程中，空間光調(diào)制器自身的位置不變，從而使得各次不同周期的余弦分布的曝光光場可以準確的對位疊加。優(yōu)點三，空間光調(diào)制器分光的原理，是周期光柵衍射分光。該方式可以保證每一個 衍射級的兩束光，能量嚴格相等，初始相位相同，從而可以確保獲得理想COS函數(shù)輪廓的光強分布。優(yōu)點四，周期光柵衍射分光方式，對激光器的相干性要求很低，可以適用于多種激光器類型。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是現(xiàn)有的光刻技術(shù)中出現(xiàn)光學吉布斯現(xiàn)象的波紋示意圖。圖2是本發(fā)明的直寫式光刻加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一種具體的光闌結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的光刻方法的步驟流程圖。圖5是待刻曲面以及進行各級傅立葉展開后對應的曲面示意圖。
具體實施例方式請參見圖2，圖2是本發(fā)明的直寫式光刻加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該系統(tǒng)包括曝光系統(tǒng)10和控制系統(tǒng)20。曝光系統(tǒng)10實質(zhì)是一種用于產(chǎn)生雙光束干涉曝光的曝光光路，包括光源11、分光器件12、第一光學鏡組13、可變光闌15和第二光學鏡組14。該曝光系統(tǒng)10按光源11、分光器件12、第一光學鏡組13、可變光闌15和第二光學鏡組14的順序組成該曝光光路。光源11在一種較優(yōu)地實施方式中采用激光器，其優(yōu)點在于激光具有良好的相干性，適于進行干涉光刻。另外，相比普通光源，激光具有良好的光場均勻性。采用激光還可以實現(xiàn)高能量超短脈沖曝光的飛行曝光加工方式，可以獲得極高的加工效率和定位精度。當然，在其它實施方式中，光源也可以采用諸如汞燈、鈉燈等其它單一性較好的光源，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明干涉曝光即可。分光器件12的作用是將光源10發(fā)出的光進行分束，該分光器件12實質(zhì)是一種衍射光柵，通過該衍射光柵的衍射干涉作用，將入射光分成0級、±1級、±2級……等多級衍射光，進行反射或透射，形成多束光。在一種具體實施方式
中，該分光器件11為空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器可以是振幅調(diào)制型，例如數(shù)字微鏡元件(Digital Micro mirror Device,DMD),也可以是位相調(diào)制型,例如娃基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LC0S)。采用空間光調(diào)制器的優(yōu)點在于，通過顯示驅(qū)動電路，就能夠在空間光調(diào)制器上顯示一維或者二維周期圖形，相當于一個衍射光柵，即可實現(xiàn)衍射分光的作用，并且對于該周期圖形的周期長度，可以直接通過程序做方便的調(diào)整，對于下文中提到的多次曝光方法，提供了可行的方案。這里優(yōu)先選擇位相型的空間光調(diào)制器，它可以使得絕大部分能量集中在所需的衍射級次，從而獲得較高的能量利用率。以此同時，其它級次的光被大大削弱，這為后續(xù)的光闌濾波的帶來了一定的便利。第一光學鏡組13和第二光學鏡組14組成縮放投影光學鏡組，進一步地，將分光器件12設(shè)置在該第一光學鏡組13的焦距處，使得來自分光器件12分出的各束散射光經(jīng)過該第一光學鏡組13之后變成平行光。第一光學鏡組13和第二光學鏡組14組成的縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)可以視具體應用而定，舉例來說，所選分光器件為LC0S，分辨率為1280*800，像素尺寸為8微米，采用15 :15個像素比例形成周期性光柵，當投影鏡組14采用10倍鏡頭時，光刻所獲得的目標圖形的周期為15*8um/10=12um。對于縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)，在一種實施方式中可以選取5倍、10倍、20倍或50倍。進一步地，縮放投影光學鏡組采用電動鼻輪結(jié)構(gòu)，其上的縮放鏡頭為5倍、10倍、20倍和50倍等可自動更換，用以實現(xiàn)不同尺寸的三維結(jié)構(gòu)的光刻。在另一種實施方式中，該縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)也可以是連續(xù)可調(diào)的?？勺児怅@15設(shè)置在第一光學鏡組13和第二光學鏡組14之間，該可變光闌15具有位置可調(diào)的單級光通孔，用以將分光器件12分出的多級光進行濾光，僅保留兩束同級光，而將其它光束擋住。優(yōu)選的，通過對分光器件12的調(diào)節(jié)，將能量集中到所需的同級光中，比如正負I級光，從而提高光能利用率。由于空間光調(diào)制器上的各級光之間的分散角隨著光柵周期變化而變化，在周期較小時，各級光之間的分散角較大，通過改變空間光調(diào)制器上顯示圖形的周期，可以改變曝光光場的余弦光強分布的周期。在此過程中，必須同步調(diào)整可變光闌的通孔。這是因為，改變空間光調(diào)制器上顯示圖形的周期會使得各級光束在頻譜面上的位置發(fā)生偏移。請參見圖3，在一種具體地實施方式中，該可變光闌15包括零級光擋片151以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負I級光可變擋片152、153，所述正負I級光可變擋片152、153與所述零級光擋151之間形成正負I級光通孔154、155。將正負I級光可變擋片152、153分別連接在一個單軸驅(qū)動電機(圖中未示出)上，通過該單軸驅(qū)動電機的驅(qū)動，所述正負I級光擋片152、153在所有擋片形成的軸線上做相對移動，使得該正負I級光擋片152、153與零級光擋片151之間形成的正負I級光通孔154、155的位置與所述空間光調(diào)制器經(jīng)所述第一光學鏡組投影過來的I級光位置對應。而當空間光調(diào)制器具有相位調(diào)制功能時，比如LC0S，則可以通過相位調(diào)制，使得零級光消失，這樣一來，對于可變光闌15，就無需設(shè)置該零級光擋片151。此時可變光闌15就由兩片可以相對移動的擋片組成，只需控制該兩片擋片的位置，就能獲得讓兩束正負I級光通過的單級光通孔。一般地，出于單軸電機的物理極限，可變光闌15的兩片擋片的定位時間小于0.1秒，定位精度約為2微米?？勺児怅@15的通孔尺寸控制，可以采用手動旋鈕，也可采用數(shù)控電機控制，顯然后者的精度和靈活性更強。在其它實施方式中，該可變光闌155也可以為多組擋光片形成的切換式光闌(圖中未示出)，其中每組擋光片包括零級光擋片以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負I級光擋片，所述正負I級光擋片與所述零級光擋片之間形成正負I級光通孔，且各組擋光片的該正負I級光通孔的位置不同。這些擋光片可以通過置入一個由單軸驅(qū)動電機控制的切換裝置中，當正負I級光之間的分散角變化時，通過切換不同的擋光片，得到可以使該正負I級光通過的通孔。根據(jù)投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和LCOS的像素尺寸，LCOS上顯示光柵圖形的周期不能太小,也不能太大。周期太大,則各級衍射光容易混疊，可變光闌難以實現(xiàn)精確的空間濾波；周期太小，則所需參與干涉光刻的正負I級光發(fā)散角很大，難以被光學系統(tǒng)所收集。合適的周期范圍約在20:2(Γ2:2像素，這個范圍雖然不大，但是配合投影鏡組14的各種縮放倍率的鏡頭，仍然可以實現(xiàn)多種尺寸的三維曲面的光刻?？刂葡到y(tǒng)20包括用于將三維曲面進行傅里葉展開的計算器21和根據(jù)上述計算器得到的傅里葉多項式進行曝光控制的驅(qū)動控制器22，其中所述驅(qū)動控制器包括用以驅(qū)動空 間光調(diào)制器顯示的驅(qū)動電路、用以控制可變光闌單級光通孔位置的單軸驅(qū)動電機，以及用以驅(qū)動整個曝光系統(tǒng)進行移動的三軸驅(qū)動電機。請參見圖4，圖4是本發(fā)明的光刻方法的步驟流程圖。在利用上述光刻加工系統(tǒng)進行光刻時，具體包括步驟S1:將待刻三維曲面進行傅立葉展開，得到一全部為余弦函數(shù)的傅立葉多項式。該步驟可以利用計算器21依據(jù)傅立葉分析理論進行自動計算，得到一個全部由余弦函數(shù)表示的多項式。這里需要注意的，通常對曲面做傅立葉展開時，得到的都是正弦和余弦的函數(shù)表達式，這里需要把所有的正弦項做進一步處理，全部展開為余弦式，這樣可以匹配干涉曝光的余弦分布。S2 :根據(jù)步驟SI得到的傅立葉多項式項數(shù)，確定曝光次數(shù)。比如一個多項式包含3項余弦函數(shù)，則曝光次數(shù)就有3次。3次曝光后形成的疊加圖形，就能得到最終的目標曲面圖形。S3 :根部步驟SI得到的傅立葉多項式中的每一項余弦函數(shù)，確定每次曝光參數(shù)，進行多次曝光。曝光參數(shù)包括空間光調(diào)制器顯示的光柵周期、曝光劑量、可變光闌的通孔位置，以及常規(guī)的電機控制參數(shù)等。其中每一項余弦函數(shù)中余弦內(nèi)系數(shù)代表了光柵周期的大小，而余弦系數(shù)則代表了曝光劑量。S4 :重復步驟S3，直至傅立葉多項式中每一項余弦函數(shù)都進行對應的曝光。這里需要注意的是，在曝光完一次進行下一次曝光之前，需要將曝光系統(tǒng)恢復到初始曝光位置，這樣每次曝光的效果才能疊加形成目標曲面。上述方法中，各次曝光的曝光劑量需要精密控制。曝光劑量控制有兩種實現(xiàn)方式，具體對應兩種典型的加工方式。a、曝光次數(shù)實現(xiàn)曝光劑量控制采用脈沖曝光方式，對于不同的曝光劑量，采用不同的曝光次數(shù)。曝光次數(shù)越多，劑量越大。典型地，可以有256級曝光劑量。由于采用脈沖曝光方式，曝光時間很短，可以實現(xiàn)飛行曝光。具體實施時，可以輔以分層光刻的方式來實現(xiàn)。b、曝光時間實現(xiàn)曝光劑量控制該加工方式，對于不同的曝光劑量，米用不同的曝光時間。曝光時間越長，劑量越大。該方式無法采用飛行曝光，加工效率較低，但是控制系統(tǒng)和激光器的成本低，易于實現(xiàn)，同時對曝光劑量的控制也更加精細。實際光刻工藝中需要注意，光刻膠的光刻深度與曝光劑量不是一個嚴格的線性關(guān)系。根據(jù)典型的光刻膠的響應曲面可以看出，在曝光劑量很小和很大時，線性度最差；而在中等曝光劑量區(qū)間內(nèi)，線性度良好的。實際工藝中，需要根據(jù)所采用的光刻膠的響應曲面，選擇合適的曝光劑量，以獲得最大程度的線性響應。必要時，可以根據(jù)光刻膠的響應曲面，對曝光劑量進行預校正。下面，通過一個具體實施例對本發(fā)明采用上述光刻加工系統(tǒng)進行光刻加工的方法做詳細說明。請參見圖5，在圖5中，曲面O是目標曲面，即要在光刻膠表面或者其它待刻物表面形成諸如曲面O所示的形狀，該曲面O是周期性三角折線。現(xiàn)通過計算器21將該曲面O進 行傅里葉展開y= (1+cos(X)) + (1+cos(3x))/9+(1+cos(5x))/25+(1+cos(7x))/49 (I)y= (1+cos (x)) + (1+cos (3x)) /9+ (1+cos (5x) )/25(2)y= (1+cos (x)) + (1+cos (3x) )/9(3)其中，式(I)是將目標曲面展開成4項，對應曲面I。式(2)是將目標曲面展開成3項，對應曲面2。式(3)是將目標曲面展開成2項，對應曲面3。由圖可以看出，當傅里葉展開式中有2項多項式時，展開后的曲面已經(jīng)非常接近目標曲面；當傅里葉展開式中有4項多項式時，展開后的曲面與目標曲面之間基本沒有誤差。對于工藝要求不高的場合，比如利用該曲面圖形制作閃耀光柵形成防偽圖形，僅用2項展開式即能實現(xiàn)目標曲面的刻蝕。在本實施方式中，采用式(2)中的傅立葉多項式進行曝光，即傅立葉多項式包括3項余弦函數(shù)，曝光次數(shù)對應為3次。米用半導體激光器作為光源，波長為405nm。選用硅基液晶LCOS作為反射式位相型空間光調(diào)制器。分辨率為1280*800，像素尺寸為8微米，適用激光波長范圍400nnT700nm，位相調(diào)制能力O到3 π。為了實現(xiàn)良好的位相調(diào)制效果，在LCOS前的光路上安裝有偏振片，這里不予詳述。投影鏡組14，采用電動鼻輪結(jié)構(gòu)，其上裝有5倍、10倍、20倍和50倍多個縮放鏡頭，并可自動更換，用以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)尺寸的三維曲面光刻。LCOS上顯示周期性的條紋結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)光柵分光。通過調(diào)整LCOS上顯示圖像的灰度，設(shè)定相鄰條紋的位相差為π，以實現(xiàn)對O級光的抑制。LCOS單次曝光面積約為480像素，單次曝光面積太大，不利于后續(xù)的空間濾波。根據(jù)式(2):y= (1+cos (X)) + (1+cos (3x)) /9+ (1+cos (5x) )/25表達式中的3個傅立葉級次，依次對應的LCOS上顯示光柵圖形周期為15:15、5: 5、3:3像素，需要采用3次曝光疊加。每次曝光時，可變光闌自動調(diào)整到相應的孔徑，進行空間濾波?？勺児怅@由數(shù)控電機直接驅(qū)動，定位時間小于O.1秒，定位精度約為2微米。當投影鏡組采用10倍鏡頭時，光刻所獲得的V型溝槽的周期為15*8um/10=12um。
上述各個參數(shù)確定之后，依次進行曝光，并將3此曝光疊加，在光刻膠層上得到如圖5中曲面2所示的圖形。綜上所述,本發(fā)明提出了一種直寫式光刻加工系統(tǒng)和光刻方法，該光刻加工系統(tǒng)包括能夠進行傅立葉展開的控制系統(tǒng)和根據(jù)控制系統(tǒng)實現(xiàn)多次光刻的曝光系統(tǒng)。該光刻方法依據(jù)傅立葉分析原理，將待刻曲面展開為傅立葉多項式，然后根據(jù)多項式中各項余弦函數(shù)進行多次光刻，使得多此光刻疊加后實現(xiàn)目標曲面的刻蝕。通過本發(fā)明的實施，能夠?qū)θ我獯蠓娴娜S曲面進行刻蝕，并且具有較高的設(shè)計靈活性、刻蝕效率和精確度，以及較低的成本等優(yōu)點。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種直寫式光刻加工系統(tǒng)，包括曝光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述曝光系統(tǒng)包括光源、分光器件、第一光學鏡組、可變光闌和第二光學鏡組，所述分光器件為空間光調(diào)制器，所述第一光學鏡組和第二光學鏡組組成縮放投影光學鏡組，所述可變光闌具有位置可調(diào)的單級光通孔，該曝光系統(tǒng)按光源、分光器件、第一光學鏡組、可變光闌和第二光學鏡組的順序組成曝光光路，所述控制系統(tǒng)包括用于將三維曲面進行傅里葉展開的計算器和根據(jù)上述計算器得到的傅里葉多項式進行曝光控制的驅(qū)動控制器，其中所述驅(qū)動控制器包括用以驅(qū)動空間光調(diào)制器顯示的驅(qū)動電路、用以控制可變光闌單級光通孔位置的單軸驅(qū)動電機，以及用以驅(qū)動整個曝光系統(tǒng)進行移動的三軸驅(qū)動電機。
2.如權(quán)利要求1所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)，其特征在于所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡元件或者娃基液晶。
3.如權(quán)利要求1所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)，其特征在于所述可變光闌包括零級光擋片以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負I級光可變擋片，所述正負I級光可變擋片與所述零級光擋片之間形成正負I級光通孔。
4.如權(quán)利要求3所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)，其特征在于所述正負I級光可變擋片分別連接在所述單軸驅(qū)動電機上，通過該單軸驅(qū)動電機的驅(qū)動，所述正負I級光擋片在所有擋片形成的軸線上做相對移動，使得該正負I級光擋片與所述零級光擋片之間形成的正負I級光通孔的位置與所述空間光調(diào)制器經(jīng)所述第一光學鏡組投影過來的I級光位置對應。
5.如權(quán)利要求1所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)，其特征在于所述可變光闌為多組擋光片形成的切換式光闌，其中每組擋光片包括零級光擋片以及位于該零級光擋片兩側(cè)的正負 I級光擋片，所述正負I級光擋片與所述零級光擋片之間形成正負I級光通孔，且各組擋光片的該正負I級光通孔的位置不同。
6.如權(quán)利要求1所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)，其特征在于所述縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)為5倍、10倍、20倍或50倍，或者所述縮放投影光學鏡組的縮放倍數(shù)連續(xù)可調(diào)。
7.—種使用如權(quán)利要求1所述的直寫式光刻加工系統(tǒng)進行光刻加工的光刻方法，其特征在于，包括步驟O:將待刻三維曲面進行傅立葉展開，得到一全部為余弦函數(shù)的傅立葉多項式；2):根據(jù)步驟I)得到的傅立葉多項式項數(shù)，確定曝光次數(shù)；3):根部步驟I)得到的傅立葉多項式中的每一項余弦函數(shù)，確定每次曝光參數(shù)，進行多次曝光；4):重復步驟3)，直至傅立葉多項式中每一項余弦函數(shù)都進行對應的曝光。
8.如權(quán)利要求7所述光刻方法，其特征在于所述曝光參數(shù)包括空間光調(diào)制器顯示的光柵周期、曝光劑量、可變光闌的通孔位置，其中每一項余弦函數(shù)中余弦內(nèi)系數(shù)代表了光柵周期的大小，而余弦系數(shù)則代表了曝光劑量。
9.如權(quán)利要求8所述光刻方法，其特征在于所述曝光劑量通過控制曝光次數(shù)的方式實現(xiàn)控制，該控制曝光次數(shù)的方式采用脈沖曝光方式，對于不同的曝光劑量，采用不同的曝光次數(shù)，且曝光次數(shù)越多，劑量越大。
10.如權(quán)利要求8所述光刻方法，其特征在于所述曝光劑量通過控制曝光時間的方式實現(xiàn)控制，該控制曝光時間方式，對于不同的曝光劑量，采用不同的曝光時間，且曝光時間越長，劑量越大。
11.如權(quán)利要求7所述光刻方法，其特征在于在曝光完一次進行下一次曝光之前，需要將曝光系統(tǒng)恢復到初始曝光位置。
全文摘要
一種直寫式光刻加工系統(tǒng)和光刻方法，該光刻加工系統(tǒng)包括能夠運用傅立葉展開計算功能的控制系統(tǒng)和由該控制系統(tǒng)控制實現(xiàn)多次光刻的曝光系統(tǒng)。該光刻方法依據(jù)傅立葉分析原理，將待刻曲面展開為傅立葉多項式，然后根據(jù)多項式中各項余弦函數(shù)進行多次光刻，使得多此光刻疊加后實現(xiàn)目標曲面的刻蝕。通過本發(fā)明的實施，能夠?qū)θ我獯蠓娴娜S曲面進行刻蝕，并且具有較高的設(shè)計靈活性、刻蝕效率和精確度，以及較低的成本等優(yōu)點。
文檔編號G03F7/20GK102998914SQ201210591299
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者胡進, 浦東林, 陳林森 申請人:蘇州大學