CN101320222A - 基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，利用数字微镜阵列替代传统掩模板的方法，结合投影曝光系统的特点，实现系统数字式、柔性曝光；由计算机将要曝光的图形、图像发送到数字微镜阵列上，构成数字式掩模，再利用均匀化、准直化后的照明光照射数字微镜阵列，数字微镜阵列上的掩模图像将对该光束进行空间光调制，再由投影物镜系统将该数字掩模板上的图形、图像复制到光刻样品上；光刻样品被置于高精密X－Y向移动工件台上，依靠工件台步进，顺次由数字微镜阵列在焦平面上所形成各个曝光子场的图形，经拼接获得较大面积的曝光图像或图形。本发明具有很强的技术延伸性和工艺兼容性，易于应用在普通工程实际。
Description
技术领域
本发明涉及一种无掩模数字曝光装置，特别涉及一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置。
技术背景
原有的光刻设备如：接近式X射线光刻、极紫外投影光刻、电子束投影光刻、电子束直写、离子投影光刻、浸没式光学投影光刻、纳米压印光刻等设备在光刻中都需要使用掩模板，而传统的掩模板在使用过程中容易被损坏、划伤，影响了曝光质量和生产效率。而且，由于昂贵的掩模成本及高昂的曝光装置价格以及缺乏灵活性等因素的影响，不能满足实验室等低端用户对交互设计、柔性加工的需要，因此大大限制了传统的投影式光刻技术及装置的应用范围。
随着微纳加工技术的进一步普及和发展，在微纳器件制作时常常更需要具有较强灵活性、高效、快速、低成本的光刻技术和设备，以适应小批量、多品种的生产模式。某些场合需要具有大面积、超大面积曝光能力的光刻技术和设备，传统的光刻设备是通过增加曝光头尺寸来实现，但给均匀照明带来了困难，同时也带来了高昂的设备成本。另外，在微光学元件的生产加工中，对于连续浮雕面形的微光学元件，由于其面形需要通过曝光剂量的精确连续调制才能获得，因而使用常规光刻技术无法实现，需要能调制连续曝光剂量的光刻技术和设备，用传统电子束光刻制作掩模、用投影光刻或接近接触光刻进行复制都很难满足灵活、高效、低成本、大面积要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提供一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，利用数字微镜阵列替代传统的掩模板，并采用焦平面上曝光子场图形拼接技术实现大面积曝光的图像和图形的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：它是由照明光源、椭球镜、反射镜、光拦、准直镜、能量积分匀化、投影物镜、光刻样品、X-Y向步进工件台、数字微镜阵列、数字微镜阵列控制卡、计算机组成；照明光源发出的光，由椭球镜进行聚光，以保证光能量被充分利用；被椭球镜聚集的光被放置在椭球镜开口处的反射镜反射后汇聚到光拦，通过光拦将照明光源变成可满足光刻需要的点光源，光拦后放置一准直透镜，可使照明光源发射的光通过准直镜准直化以后，都能平行入射到能量积分匀化器，再经能量积分匀化器后变为均匀照明光入射到数字微镜阵列上；
计算机产生各种灰阶的数字图象，并通过数字微镜阵列控制器将所需的图形、图像传送到数字微镜阵列，形成所需要的数字掩模图案；该数字掩模将对数字微镜阵列上的照明光进行空间调制，形成所需要的任意灰度图案；再由投影物镜将此图形成像复制到涂有光刻胶的光刻样品上，从而实现单场曝光；光刻样品位于X-Y向步进工件台上，依靠X-Y向步进工件台步进，顺次由数字掩模在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得较大面积的曝光图像或图形。
所述反射镜镀有双层膜，反射有利于光刻的波段，增透其它波段的光波，减少其它波段的光波对光刻的影响。
所述光拦处于准直镜的焦点上。
所述照明光源为非点光源。
所述照明光源可以根据实际需要采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光作为光源。
所述能量积分匀化器由积分镜、括束镜组成。
所述能量积分匀化器中的积分镜由一组矩形截面的双凸积分棒错位积木式排列而成，而积分棒由石英玻璃制成。
工作原理：本装置采用非点光源，为了保证光能量被充分利用，采用椭球镜聚光，在椭球镜开口处放置反射镜，反射镜可镀双层膜，反射有利于光刻的波段，增透其它波段的光波，减少其它波段的光波对光刻的影响。照明光通过反射镜后将汇聚到光拦，光拦将非点光源变成可满足光刻需要的点光源，光拦后放置一准直透镜，光拦放置在准直镜的焦点上，让非点光源发射的光能都平行入射到能量积分匀化器，因此，通过准直镜后的照明光将被准直化。
为进一步提高输出光能分布的均匀性，平行光将通过能量积分匀化器的均匀化处理，保证照明光均匀性、平行性。利用数字微镜阵列替代传统的掩模板，利用这种数字掩模对均匀化、准直化的照明光进行空间调制，形成所需的掩模图案，投影物镜再将数字掩模上的图形成像复制到涂敷在光刻样品表面的光刻胶上，从而实现单场曝光。
为了获得较大的曝光面积，将一个较大的曝光场分割为多个曝光子场，依靠X-Y向步进工件台步进，顺次由数字掩模在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得最终所需的较大面积的曝光图像或图形。
所述的能量积分匀化器由一组矩形截面的双凸积分棒错位积木式排列而成。它把照射到其前端面的能量分布不均匀的宽光束分割成与单元积分元件数量一样多的单元光能分布，并被单元积分棒聚焦到出射端形成多个光源的像，和后面的透镜形成柯拉照明系统照明掩模面。由于每一个单元对应一个柯拉照明系统，所以由于各细光束照明的叠加，而在掩模面上得到均匀照明。同时，分割后细光束的口径与掩模面的照明区域满足物像关系，通过能量积分匀化器与透镜光学系统的放大倍数来满足照明面积的要求。
所述的数字微镜阵列(DMD)在此相当于传统光刻中的掩模板，DMD是一个二维器件，有多个微反射镜单元组成。对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，数字微镜阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态，决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。镜片可以在一秒内开关1000多次，这一相当快的速度允许数字灰度和颜色再现。计算机通过数字微镜阵列控制卡将图形、图像传送到数字微镜阵列，形成所需要的掩模图案。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用数字微镜阵列替代传统的掩模板，避免了掩模设计制作的高昂成本；
2、本发明利用平行光斜照明计算机控制的数字微镜阵列，获得任意的数字式掩模图像、图形，满足灵活、高效、柔性要求；
3、本发明采用图形拼接技术，将一个较大的曝光场分割为多个曝光子场，依靠步进工件台步进，顺次由数字微镜阵列在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得最终所需的获得大曝光面积的图像和图形；
4、本发明作为一种适合工程应用的曝光装置，可以根据实际需要采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光等作为光源，具有很强的技术延伸性和工艺兼容性，易于应用在普通工程实际。
附图说明
图1为一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置结构示意图；
图2为能量积分匀化器示意图；
图3为曝光子场图形拼接示意图。
图中1为照明光源，2为椭球镜，3为反射镜，4为光拦，5为准直镜，6为能量积分匀化器，7为投影物镜，8为光刻样品，9为X-Y步进工件台，10为数字微镜阵列，11为数字微镜阵列控制卡，12为计算机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本实施例的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，由照明光源1、椭球镜2、反射镜3、光拦4、准直镜5、能量积分匀化器6、投影物镜7、光刻样品8、X-Y步进工件台9、数字微镜阵列10、数字微镜阵列控制卡11、计算机12组成；当照明光源1采用非点光源，它发出的光，由椭球镜2进行聚光，以保证光能量被充分利用；由椭球镜2聚集的光被放置在椭球镜2开口处的反射镜3反射后汇聚到光拦4，光拦4将照明光源1变成可满足光刻需要的点光源，光拦4后放置一准直透镜5，且光拦4处于准直镜5的焦点上，这样可使照明光源1发射的光通过准直镜5准直化以后，都能平行入射到能量积分匀化器6，再经能量积分匀化器6后变为均匀照明光入射到数字微镜阵列10上。
计算机12产生各种灰阶的数字图象，并通过数字微镜阵列控制器11将所需的图形、图像传送到数字微镜阵列10，形成所需要的数字掩模图案；该数字掩模将对数字微镜阵列10上的照明光进行空间调制，形成所需要的任意灰度图案；再由投影物镜7将此图形成像复制到涂有光刻胶的光刻样品8上，从而实现单场曝光。
所述的照明光源1采用非点光源，可以根据实际需要采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光。
所述的反射镜3镀有双层膜，反射有利于光刻的波段，增透其它波段的光波，减少其他波段的光波对光刻的影响。
如图2所示；所述的能量积分匀化器6，由积分镜601、括束镜602组成。积分镜601由一组矩形截面的双凸积分棒错位积木式排列而成。它把照射到其前端面的能量分布不均匀的宽光束分割成与单元积分元件数量一样多的单元光能分布，并被单元积分棒聚焦到出射端形成多个光源的像，和后面的透镜形成柯拉照明系统照明掩模面。由于每一个单元对应一个柯拉照明系统，所以由于各细光束照明的叠加，而在掩模面上得到均匀照明。同时，分割后细光束的口径与掩模面的照明区域满足物像关系，通过能量积分匀化器与透镜光学系统的放大倍数来满足照明面积的要求。积分棒由石英玻璃制成，它的作用是将光束分割成许多细小的光束，每一子光束均匀性都比原有的光束的均匀性高，再将所有的子光束在空间叠加，使各子光束的光能分布进一步得到补偿，从而大大提高了光能分布的均匀性。从积分镜601发出的光，经扩束镜602后，使到达微镜阵列10的照明光束为均匀平行光。
为了获得较大的曝光面积，将一个较大的曝光场分割为多个曝光子场，光刻样品8置于高精密的X-Y向步进工件台9上，依靠X-Y向步进工件台9步进，顺次由数字掩模在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得最终所需的较大面积的曝光图像或图形，如图3所示。
Claims (7)
1、一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：它是由照明光源(1)、椭球镜(2)、反射镜(3)、光拦(4)、准直镜(5)、能量积分匀化(6)、投影物镜(7)、光刻样品(8)、X-Y向步进工件台(9)、数字微镜阵列(10)、数字微镜阵列控制卡(11)、计算机(12)组成；照明光源(1)发出的光，由椭球镜(2)进行聚光，以保证光能量被充分利用；被椭球镜(2)聚集的光被放置在椭球镜(2)开口处的反射镜(3)反射后汇聚到光拦(4)，通过光拦(4)将照明光源(1)变成可满足光刻需要的点光源，光拦(4)后放置一准直透镜(5)，可使照明光源(1)发射的光通过准直镜(5)准直化以后，都能平行入射到能量积分匀化器(6)，再经能量积分匀化器(6)后变为均匀照明光入射到数字微镜阵列(10)上；
计算机(12)产生各种灰阶的数字图象，并通过数字微镜阵列控制器(11)将所需的图形、图像传送到数字微镜阵列(10)，形成所需要的数字掩模图案；该数字掩模将对数字微镜阵列(10)上的照明光进行空间调制，形成所需要的任意灰度图案；再由投影物镜(7)将此图形成像复制到涂有光刻胶的光刻样品(8)上，从而实现单场曝光；光刻样品(8)位于X-Y向步进工件台(9)上，依靠X-Y向步进工件台(9)步进，顺次由数字掩模在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得较大面积的曝光图像或图形。
2、根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：所述反射镜(3)镀有双层膜，反射有利于光刻的波段，增透其它波段的光波，减少其它波段的光波对光刻的影响。
3、根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：所述光拦(4)处于准直镜(5)的焦点上。
4、根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：照明光源(1)为非点光源。
5、根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：照明光源(1)可以根据实际需要采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光作为光源。
6、根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的步进式无掩模数字曝光装置，其特征在于：能量积分匀化器(6)由积分镜(601)、括束镜(602)组成。
7、根据权利要求6所述的能量积分匀化器(6)，其特征在于：能量积分匀化器(6)中的积分镜(601)由一组矩形截面的双凸积分棒错位积木式排列而成，而积分棒由石英玻璃制成。
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