一種大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)。包括照明光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)，照明光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、聚焦透鏡、光纖均束器、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、平面反射鏡；數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)包括數(shù)字微反射鏡、三個(gè)拋物面反射鏡；投影光學(xué)系統(tǒng)包括兩個(gè)透鏡組、孔徑光闌，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡入射到光纖均束器，從光纖均束器出來的光斑經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組整形后的光斑到達(dá)平面反射鏡，并經(jīng)平面反射鏡到達(dá)數(shù)字微反射鏡，經(jīng)數(shù)字微反射鏡出來的光斑經(jīng)第一、二拋物面反射鏡反射至第三拋物面反射鏡，經(jīng)第三拋物面反射鏡出來的光斑經(jīng)第一透鏡組及孔徑光闌到達(dá)第二透鏡組。本發(fā)明精度高，生產(chǎn)效率高，操作簡便。
【專利說明】一種大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光微加工應(yīng)用中的無掩模光刻【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種大面積數(shù)字光刻 光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 光刻系統(tǒng)是高科技產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的中流砥柱，最終能影響電子產(chǎn)品商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的 成敗。隨著光刻特征尺寸變小和光刻圖形結(jié)構(gòu)愈趨復(fù)雜及多樣化，傳統(tǒng)的掩模光刻遇到了 制作困難和費(fèi)用攀升的問題。為降低掩模制作的成本，已發(fā)展了許多無掩模的光刻系統(tǒng)，如 離子/電子束直寫，激光直寫等，但這些絕大多數(shù)是國外成套進(jìn)口的光刻設(shè)備，不僅設(shè)備價(jià) 格昂貴，而且光刻速度慢。而數(shù)字光刻系統(tǒng)在保證高端電子產(chǎn)品質(zhì)量和成本上有無與倫比 的優(yōu)勢(shì)，它將灰度掩模和數(shù)字光處理技術(shù)相結(jié)合，具有高效率、低成本、加工工藝簡單等優(yōu) 點(diǎn)，是未來光刻技術(shù)的主流方向。
[0003] 目前，數(shù)字光刻系統(tǒng)已在微光、機(jī)、電系統(tǒng)與器件等工業(yè)化生產(chǎn)中勃然興起，如印 刷電路板（PCB)、平板顯示器（FPD)、微光學(xué)器件（Μ0Ε)、微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS)等二維或三維光 亥IJ。數(shù)字微反射鏡作為數(shù)字光刻的動(dòng)態(tài)掩模的核心部件，它是目前唯一能用于快速且大批 量光刻生產(chǎn)中的純數(shù)字化空間光調(diào)制器，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效率和低成本的圖形轉(zhuǎn)移。面臨高 端電子產(chǎn)品的高質(zhì)量且低成本量產(chǎn)的壓力，數(shù)字光刻系統(tǒng)必須具備高精度、高生產(chǎn)效率、低 成本三大要素，而目前的數(shù)字光刻系統(tǒng)絕大多數(shù)應(yīng)用在掩模板的制作和微光學(xué)元器件的加 工，其光學(xué)系統(tǒng)中投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本比較高；如今一塊數(shù)字微反射鏡已經(jīng)無法滿 足大面積和高效生產(chǎn)的要求，需要多塊數(shù)字微反射鏡拼接在一起，一次輸出大面積圖形，而 數(shù)字微反射鏡邊界面積比較大，如果不有效控制該面積則會(huì)造成光刻基板的大面積損失， 假若讓多塊數(shù)字微反射鏡拼接在兩平行平面上，雖然邊界面積相對(duì)減少了，但是兩平面會(huì) 帶來很大的光程差，國外有技術(shù)人員提出用對(duì)應(yīng)拼接的平面反射鏡來補(bǔ)償光程差，但是后 續(xù)出射光路的控制是非常困難的，因此提出拼接拋物面反射鏡補(bǔ)償光程差的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于考慮所述問題而提供一種既能實(shí)時(shí)產(chǎn)生各種數(shù)字光刻微結(jié)構(gòu) 圖形，又能實(shí)現(xiàn)高精度、高生產(chǎn)效率、操作簡便的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)包括照明光學(xué)系統(tǒng)，包 括有照明光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括 半導(dǎo)體激光器、聚焦透鏡、光纖均束器、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、平面反射鏡；所述數(shù)字微反射鏡拼 接中繼系統(tǒng)包括數(shù)字微反射鏡、第一拋物面反射鏡、第二拋物面反射鏡和第三拋物面反射 鏡；所述投影光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組、孔徑光闌和第二透鏡組，其中半導(dǎo)體激光器發(fā)出的 激光經(jīng)聚焦透鏡入射到光纖均束器，從光纖均束器出來的光斑經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組整形后的 光斑到達(dá)平面反射鏡，并經(jīng)平面反射鏡到達(dá)數(shù)字微反射鏡，經(jīng)數(shù)字微反射鏡出來的光斑經(jīng) 第一拋物面反射鏡及第二拋物面反射鏡反射至第三拋物面反射鏡，經(jīng)第三拋物面反射鏡出 來的光斑經(jīng)第一透鏡組及孔徑光闌到達(dá)第二透鏡組。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)與傳統(tǒng)的掩模光刻光學(xué)系統(tǒng)相比，本發(fā)明無需昂貴的光刻掩模版，以數(shù)字微反射鏡 作為虛擬掩模，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生PCB圖形及各種微結(jié)構(gòu)，數(shù)字微反射鏡的數(shù)字灰度成像可以 在光刻基板上一次完成2D/3D圖形光刻，工藝簡單且操作簡便。
[0007] 2)本發(fā)明與現(xiàn)有的數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)相比，以多個(gè)半導(dǎo)體激光器通過光纖均束器 耦合作為光源，其優(yōu)點(diǎn)是均勻度高、功率大且壽命長，能實(shí)現(xiàn)大面積光刻，該系統(tǒng)精度不是 亞微米以下，而是智能手機(jī)、平板電腦、太陽能電板等十幾微米的圖形和微結(jié)構(gòu)，因此該系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉。
[0008] 3)本發(fā)明采用具有雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的8片式投影系統(tǒng)物鏡，前四片和后四片關(guān)于孔徑 光闌完全對(duì)稱相同，透鏡加工開模成本低，所用玻璃材料也選用國產(chǎn)玻璃，可以方便物料選 擇和成本控制，擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組的出瞳與投影光學(xué)系統(tǒng)的入瞳相匹配實(shí)現(xiàn)柯勒照明，可以 保證數(shù)字微反射鏡拼接面有最大照明亮度和均勻度。
[0009] 4)本發(fā)明采用了拼接拋物面反射鏡補(bǔ)償光程差的方法，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字微反射鏡拼接 圖形無光程差傳輸，克服了平面反射鏡光路控制難的問題，同時(shí)讓整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明大面積數(shù)字光刻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明照明系統(tǒng)的示意圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明數(shù)字微反射鏡拼接的俯視圖。
[0013] 圖4是本發(fā)明數(shù)字微反射鏡拼接的側(cè)視圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)的示意圖。
[0015] 圖6是本發(fā)明投影系統(tǒng)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 實(shí)施例： 下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0017] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本發(fā)明的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，包括有照 明光學(xué)系統(tǒng)、拼接中繼系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器1、聚焦 透鏡2、光纖均束器3、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組4、平面反射鏡7;所述拼接中繼系統(tǒng)包括數(shù)字微反射 鏡8、第一拋物面反射鏡9、第二拋物面反射鏡10和第三拋物面反射鏡11 ;所述投影光學(xué)系 統(tǒng)包括第一透鏡組12、孔徑光闌17和第二透鏡組18,其中半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光經(jīng)聚 焦透鏡2入射到光纖均束器3,從光纖均束器3出來的光斑經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組4整形后的光 斑到達(dá)平面反射鏡7,并經(jīng)平面反射鏡7到達(dá)數(shù)字微反射鏡8,經(jīng)數(shù)字微反射鏡8出來的光 斑經(jīng)第一拋物面反射鏡9及第二拋物面反射鏡10反射至第三拋物面反射鏡11，經(jīng)第三拋物 面反射鏡11出來的光斑經(jīng)第一透鏡組12及孔徑光闌17到達(dá)第二透鏡組18。照明光學(xué)系 統(tǒng)將激光光斑擴(kuò)束、準(zhǔn)直以及變換光路；投影光學(xué)系統(tǒng)將數(shù)字微反射鏡上的數(shù)字圖形通過 掃描方式成像轉(zhuǎn)移到光刻基板上。
[0018] 本實(shí)施例中，上述透鏡組4把由光纖均束器3出來的光斑整形成和多塊數(shù)字微反 射鏡拼接尺寸匹配的光斑。
[0019] 本實(shí)施例中，上述拼接中繼光學(xué)系統(tǒng)中的第一拋物面反射鏡9和第二拋物面反射 鏡10共光軸，且拼接在同一基底上，且數(shù)字微反射鏡8、第一拋物面反射鏡9、第二拋物面反 射鏡10三塊拋物面反射鏡共焦點(diǎn)，以保證到達(dá)投影系統(tǒng)第一透鏡組12的各光線無光程差， 即用以補(bǔ)償因多塊數(shù)字微反射鏡不共面拼接帶來的光程差，則從數(shù)字微反射鏡出來的光由 第一拋物面反射鏡9和第二拋物面反射鏡10共同反射聚焦到一點(diǎn)，再由第三拋物面反射鏡 11反射后平行出射到投影系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)拼接數(shù)字微反射鏡圖形無光程差傳至投影系 統(tǒng)。
[0020] 本實(shí)施例中，上述由第一透鏡組12、孔徑光闌17和第二透鏡組18組成的投影光學(xué) 系統(tǒng)具有雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，用以保證數(shù)字微反射鏡上的微鏡工作時(shí)微小偏轉(zhuǎn)和更換光刻基板23 所產(chǎn)生的離焦不影響光刻圖形放大率，且第一透鏡組12和第二透鏡組18關(guān)于孔徑光闌17 完全對(duì)稱。
[0021] 本實(shí)施例中，上述第一透鏡組12包括第一透鏡13、第二透鏡14、第三透鏡15、第 四透鏡16 ;所述第二透鏡組18包括第五透鏡19、第六透鏡20、第七透鏡21和第八透鏡22， 這八片透鏡均為球面透鏡，所述第一透鏡13和第八透鏡22材料和結(jié)構(gòu)完全相同，第二透鏡 14和第七透鏡21材料和結(jié)構(gòu)完全相同，第三透鏡15和第六透鏡20材料和結(jié)構(gòu)完全相同， 第四透鏡16和第五透鏡19的材料和結(jié)構(gòu)完全相同，上述八片球面透鏡都使用國產(chǎn)玻璃，關(guān) 于孔徑光闌17結(jié)構(gòu)和材料完全對(duì)稱相同，則物像共軛對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)物和像按1:1傳輸，這八個(gè) 透鏡構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高且成大視場(chǎng)的投影系統(tǒng)物鏡。
[0022] 上述半導(dǎo)體激光器1能發(fā)出405nm的激光束，若干個(gè)半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光 經(jīng)若干個(gè)聚焦透鏡2入射到光纖均束器3。本實(shí)施例中，上述半導(dǎo)體激光器1是光纖耦合半 導(dǎo)體激光器。光纖稱合半導(dǎo)體激光器的激光光源具有光斑質(zhì)量好、壽命長、功率大等優(yōu)點(diǎn)。
[0023] 本實(shí)施例中，上述照明光學(xué)系統(tǒng)中的擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組4的出瞳與投影光學(xué)系統(tǒng)的 入瞳相匹配實(shí)現(xiàn)柯勒照明，以保證數(shù)字微反射鏡拼接面有最大照明亮度和均勻度；上述擴(kuò) 束準(zhǔn)直透鏡組4包括有負(fù)球面透鏡5和正球面透鏡6,負(fù)球面透鏡5和正球面透鏡6共物方 焦面，對(duì)均勻光斑整形成與多塊數(shù)字微反射鏡拼接面尺寸相匹配，即讓均勻光斑與多塊數(shù) 字微反射鏡拼接面尺寸相同，光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字微反射鏡所產(chǎn)生的時(shí)變圖形的高質(zhì)量傳 輸。
[0024] 本實(shí)施例中，上述照明系統(tǒng)中平面反射鏡7鍍有高反層，如圖2所示，平面反射鏡 7與水平面的夾角為〃 =10°，保持和數(shù)字微反射鏡的微小鏡子偏轉(zhuǎn)角度±10°相匹配，以 實(shí)現(xiàn)數(shù)字微反射鏡出射光高效且平行傳至數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)。
[0025] 本實(shí)施例中，上述拼接中繼光學(xué)系統(tǒng)中第一拋物面反射鏡9是從同一拋物面反射 鏡上截取下來的兩塊反射鏡，尺寸與所對(duì)應(yīng)的數(shù)字微反射鏡有效面積相匹配，拼接于同一 基底，且兩反射鏡處于同一拋物面上；上述拼接中繼光學(xué)系統(tǒng)中多塊數(shù)字微反射鏡拼接在 兩個(gè)上下彼此平行的平面上，兩平面裝于同一基底，邊界相互遮擋以保證整個(gè)有效面積更 加緊湊，增大多塊數(shù)字微反射鏡拼接在一起的填充因子來提高光刻效率。
[0026] 本發(fā)明的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，適用于N (N > 2)塊數(shù)字微反射鏡拼接光刻 系統(tǒng)。
[0027] 本實(shí)施例中，大面積數(shù)字光刻系統(tǒng)中的數(shù)字微反射鏡拼接補(bǔ)償方法如圖3、4所 示，圖中數(shù)字微反射鏡8為單塊數(shù)字微反射鏡，4塊數(shù)字微反射鏡8拼接在兩個(gè)上下彼此平 行的平面上，兩平面裝于同一基底，邊界相互遮擋以保證整個(gè)有效面積更加緊湊，增大數(shù)字 微反射鏡拼接在一起的填充因子來提高光刻效率。如圖3所示，數(shù)字微反射鏡上微小反射 鏡組成的區(qū)域25的尺寸為1.2cm X 1.4cm;數(shù)字微反射鏡的拼接邊界重疊區(qū)域邊界24的 長為0. 3cm，數(shù)字微反射鏡的填充效率為：

【權(quán)利要求】
1. 一種大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括有照明光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字微反射鏡拼 接中繼系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器（1)、聚焦透鏡（2)、光 纖均束器（3)、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組（4)、平面反射鏡（7);所述數(shù)字微反射鏡拼接中繼系統(tǒng)包括 數(shù)字微反射鏡（8)、第一拋物面反射鏡（9)、第二拋物面反射鏡（10)和第三拋物面反射鏡 (11) ;所述投影光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組（12)、孔徑光闌（17)和第二透鏡組（18)，其中半 導(dǎo)體激光器（1)發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡（2)入射到光纖均束器（3)，從光纖均束器（3)出來 的光斑經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組（4)整形后的光斑到達(dá)平面反射鏡（7)，并經(jīng)平面反射鏡（7)到達(dá) 數(shù)字微反射鏡（8)，經(jīng)數(shù)字微反射鏡（8)出來的光斑經(jīng)第一拋物面反射鏡（9)及第二拋物面 反射鏡（10)反射至第三拋物面反射鏡（11 )，經(jīng)第三拋物面反射鏡（11)出來的光斑經(jīng)第一 透鏡組（12)及孔徑光闌（17)到達(dá)第二透鏡組（18)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述透鏡組（4)把由 光纖均束器（3)出來的光斑整形成和多塊數(shù)字微反射鏡拼接尺寸匹配的光斑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)字微反射鏡拼 接中繼光學(xué)系統(tǒng)中的第一拋物面反射鏡（9 )和第二拋物面反射鏡（10 )共光軸，且拼接在同 一基底上，且數(shù)字微反射鏡（8)、第一拋物面反射鏡（9)、第二拋物面反射鏡（10)三塊拋物 面反射鏡共焦點(diǎn)，則從數(shù)字微反射鏡出來的光由第一拋物面反射鏡（9)和第二拋物面反射 鏡（10)共同反射聚焦到一點(diǎn)，再由第三拋物面反射鏡（11)反射后平行出射到投影系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述由第一透鏡組 (12) 、孔徑光闌（17)和第二透鏡組（18)組成的投影光學(xué)系統(tǒng)具有雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，且第一透鏡 組（12)和第二透鏡組（18)關(guān)于孔徑光闌（17)完全對(duì)稱。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述第一 透鏡組（12)包括第一透鏡（13)、第二透鏡（14)、第三透鏡（15)、第四透鏡（16);所述第二透 鏡組（18)包括第五透鏡（19)、第六透鏡（20)、第七透鏡（21)和第八透鏡（22)，這八片透鏡 均為球面透鏡，所述第一透鏡（13 )和第八透鏡（22 )材料和結(jié)構(gòu)完全相同，第二透鏡（14)和 第七透鏡（21)材料和結(jié)構(gòu)完全相同，第三透鏡（15 )和第六透鏡（20 )材料和結(jié)構(gòu)完全相同， 第四透鏡（16)和第五透鏡（19)的材料和結(jié)構(gòu)完全相同，上述八片球面透鏡關(guān)于孔徑光闌 (17)結(jié)構(gòu)和材料完全對(duì)稱相同，則物像共軛對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)物和像按1:1傳輸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述半導(dǎo)體激光器 (1)能發(fā)出405nm的激光束，若干個(gè)半導(dǎo)體激光器（1)發(fā)出的激光經(jīng)若干個(gè)聚焦透鏡（2)入 射到光纖均束器（3 )。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于上述照 明光學(xué)系統(tǒng)中的擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組（4)的出瞳與投影光學(xué)系統(tǒng)的入瞳相匹配；上述擴(kuò)束準(zhǔn)直 透鏡組（4)包括有負(fù)球面透鏡（5)和正球面透鏡（6)，負(fù)球面透鏡（5)和正球面透鏡（6)共 物方焦面，對(duì)均勻光斑整形成與多塊數(shù)字微反射鏡拼接面尺寸相匹配。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于上述照 明系統(tǒng)中平面反射鏡（7)鍍有高反層，平面反射鏡（7)與水平面的夾角為〃 =10°，保持和 數(shù)字微反射鏡的微小鏡子偏轉(zhuǎn)角度±10°相匹配。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于上述數(shù) 字微反射鏡拼接中繼光學(xué)系統(tǒng)中第一拋物面反射鏡（9)是從同一拋物面反射鏡上截取下來 的兩塊反射鏡，尺寸與所對(duì)應(yīng)的數(shù)字微反射鏡有效面積相匹配，拼接于同一基底，且兩反射 鏡處于同一拋物面上；上述數(shù)字微反射鏡拼接中繼光學(xué)系統(tǒng)中多塊數(shù)字微反射鏡拼接在兩 個(gè)上下彼此平行的平面上，兩平面裝于同一基底，邊界相互遮擋。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積數(shù)字光刻光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于適用于N(N > 2)塊 數(shù)字微反射鏡拼接光刻系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G03F7/20GK104142613SQ201410328696
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】劉海勇, 周金運(yùn), 劉麗霞, 雷亮 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)