CN104142613A - 一种大面积数字光刻光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大面积数字光刻光学系统。包括照明光学系统、数字微反射镜拼接中继系统和投影光学系统，照明光学系统包括半导体激光器、聚焦透镜、光纤均束器、扩束准直透镜组、平面反射镜；数字微反射镜拼接中继系统包括数字微反射镜、三个抛物面反射镜；投影光学系统包括两个透镜组、孔径光阑，半导体激光器发出的激光经聚焦透镜入射到光纤均束器，从光纤均束器出来的光斑经扩束准直透镜组整形后的光斑到达平面反射镜，并经平面反射镜到达数字微反射镜，经数字微反射镜出来的光斑经第一、二抛物面反射镜反射至第三抛物面反射镜，经第三抛物面反射镜出来的光斑经第一透镜组及孔径光阑到达第二透镜组。本发明精度高，生产效率高，操作简便。

Description

一种大面积数字光刻光学系统

技术领域

本发明属于激光微加工应用中的无掩模光刻技术领域，涉及一种大面积数字光刻光学系统。

背景技术

光刻系统是高科技产业可持续发展的中流砥柱，最终能影响电子产品商业竞争的成败。随着光刻特征尺寸变小和光刻图形结构愈趋复杂及多样化，传统的掩模光刻遇到了制作困难和费用攀升的问题。为降低掩模制作的成本，已发展了许多无掩模的光刻系统，如离子/电子束直写，激光直写等，但这些绝大多数是国外成套进口的光刻设备，不仅设备价格昂贵，而且光刻速度慢。而数字光刻系统在保证高端电子产品质量和成本上有无与伦比的优势，它将灰度掩模和数字光处理技术相结合，具有高效率、低成本、加工工艺简单等优点，是未来光刻技术的主流方向。

目前，数字光刻系统已在微光、机、电系统与器件等工业化生产中勃然兴起，如印刷电路板(PCB)、平板显示器(FPD)、微光学器件(MOE)、微电机系统(MEMS)等二维或三维光刻。数字微反射镜作为数字光刻的动态掩模的核心部件，它是目前唯一能用于快速且大批量光刻生产中的纯数字化空间光调制器，能实现实时、高效率和低成本的图形转移。面临高端电子产品的高质量且低成本量产的压力，数字光刻系统必须具备高精度、高生产效率、低成本三大要素，而目前的数字光刻系统绝大多数应用在掩模板的制作和微光学元器件的加工，其光学系统中投影系统的结构复杂且成本比较高；如今一块数字微反射镜已经无法满足大面积和高效生产的要求，需要多块数字微反射镜拼接在一起，一次输出大面积图形，而数字微反射镜边界面积比较大，如果不有效控制该面积则会造成光刻基板的大面积损失，假若让多块数字微反射镜拼接在两平行平面上，虽然边界面积相对减少了，但是两平面会带来很大的光程差，国外有技术人员提出用对应拼接的平面反射镜来补偿光程差，但是后续出射光路的控制是非常困难的，因此提出拼接抛物面反射镜补偿光程差的方法。

发明内容

本发明的目的在于考虑所述问题而提供一种既能实时产生各种数字光刻微结构图形，又能实现高精度、高生产效率、操作简便的大面积数字光刻光学系统。

本发明的技术方案是：本发明的大面积数字光刻光学系统包括照明光学系统，包括有照明光学系统、数字微反射镜拼接中继系统和投影光学系统，所述照明光学系统包括半导体激光器、聚焦透镜、光纤均束器、扩束准直透镜组、平面反射镜；所述数字微反射镜拼接中继系统包括数字微反射镜、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜；所述投影光学系统包括第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组，其中半导体激光器发出的激光经聚焦透镜入射到光纤均束器，从光纤均束器出来的光斑经扩束准直透镜组整形后的光斑到达平面反射镜，并经平面反射镜到达数字微反射镜，经数字微反射镜出来的光斑经第一抛物面反射镜及第二抛物面反射镜反射至第三抛物面反射镜，经第三抛物面反射镜出来的光斑经第一透镜组及孔径光阑到达第二透镜组。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）与传统的掩模光刻光学系统相比，本发明无需昂贵的光刻掩模版，以数字微反射镜作为虚拟掩模，可以实时产生PCB图形及各种微结构，数字微反射镜的数字灰度成像可以在光刻基板上一次完成2D/3D图形光刻，工艺简单且操作简便。

2）本发明与现有的数字光刻光学系统相比，以多个半导体激光器通过光纤均束器耦合作为光源，其优点是均匀度高、功率大且寿命长，能实现大面积光刻，该系统精度不是亚微米以下，而是智能手机、平板电脑、太阳能电板等十几微米的图形和微结构，因此该系统结构简单，造价低廉。

3）本发明采用具有双远心结构的8片式投影系统物镜，前四片和后四片关于孔径光阑完全对称相同，透镜加工开模成本低，所用玻璃材料也选用国产玻璃，可以方便物料选择和成本控制，扩束准直透镜组的出瞳与投影光学系统的入瞳相匹配实现柯勒照明，可以保证数字微反射镜拼接面有最大照明亮度和均匀度。 

4）本发明采用了拼接抛物面反射镜补偿光程差的方法，能实现数字微反射镜拼接图形无光程差传输，克服了平面反射镜光路控制难的问题，同时让整个系统更加紧凑。

附图说明

图1是本发明大面积数字光刻系统的结构示意图。

图2是本发明照明系统的示意图。

图３是本发明数字微反射镜拼接的俯视图。

图4是本发明数字微反射镜拼接的侧视图。

图5是本发明数字微反射镜拼接中继系统的示意图。

图6是本发明投影系统的示意图。

具体实施方式

实施例：

下面参照附图，对本发明做进一步的描述。

本发明的结构示意图如图1所示，本发明的大面积数字光刻光学系统，包括有照明光学系统、拼接中继系统和投影光学系统，所述照明光学系统包括半导体激光器1、聚焦透镜2、光纤均束器3、扩束准直透镜组4、平面反射镜7；所述拼接中继系统包括数字微反射镜8、第一抛物面反射镜9、第二抛物面反射镜10和第三抛物面反射镜11；所述投影光学系统包括第一透镜组12、孔径光阑17和第二透镜组18，其中半导体激光器1发出的激光经聚焦透镜2入射到光纤均束器3，从光纤均束器3出来的光斑经扩束准直透镜组4整形后的光斑到达平面反射镜7，并经平面反射镜7到达数字微反射镜8，经数字微反射镜8出来的光斑经第一抛物面反射镜9及第二抛物面反射镜10反射至第三抛物面反射镜11，经第三抛物面反射镜11出来的光斑经第一透镜组12及孔径光阑17到达第二透镜组18。照明光学系统将激光光斑扩束、准直以及变换光路；投影光学系统将数字微反射镜上的数字图形通过扫描方式成像转移到光刻基板上。

本实施例中，上述透镜组4把由光纤均束器3出来的光斑整形成和多块数字微反射镜拼接尺寸匹配的光斑。

本实施例中，上述拼接中继光学系统中的第一抛物面反射镜9和第二抛物面反射镜10共光轴，且拼接在同一基底上，且数字微反射镜8、第一抛物面反射镜9、第二抛物面反射镜10三块抛物面反射镜共焦点，以保证到达投影系统第一透镜组12的各光线无光程差，即用以补偿因多块数字微反射镜不共面拼接带来的光程差，则从数字微反射镜出来的光由第一抛物面反射镜9和第二抛物面反射镜10共同反射聚焦到一点，再由第三抛物面反射镜11反射后平行出射到投影系统，最终实现整个拼接数字微反射镜图形无光程差传至投影系统。

本实施例中，上述由第一透镜组12、孔径光阑17和第二透镜组18组成的投影光学系统具有双远心结构，用以保证数字微反射镜上的微镜工作时微小偏转和更换光刻基板23所产生的离焦不影响光刻图形放大率，且第一透镜组12和第二透镜组18关于孔径光阑17完全对称。

本实施例中，上述第一透镜组12包括第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16；所述第二透镜组18包括第五透镜19、第六透镜20、第七透镜21和第八透镜22，这八片透镜均为球面透镜，所述第一透镜13和第八透镜22材料和结构完全相同，第二透镜14和第七透镜21材料和结构完全相同，第三透镜15和第六透镜20材料和结构完全相同，第四透镜16和第五透镜19的材料和结构完全相同，上述八片球面透镜都使用国产玻璃，关于孔径光阑17结构和材料完全对称相同，则物像共轭对称，实现物和像按1:1传输，这八个透镜构成结构简单、分辨率高且成大视场的投影系统物镜。

上述半导体激光器1能发出405nm的激光束，若干个半导体激光器1发出的激光经若干个聚焦透镜2入射到光纤均束器3。本实施例中，上述半导体激光器1是光纤耦合半导体激光器。光纤耦合半导体激光器的激光光源具有光斑质量好、寿命长、功率大等优点。

本实施例中，上述照明光学系统中的扩束准直透镜组4的出瞳与投影光学系统的入瞳相匹配实现柯勒照明，以保证数字微反射镜拼接面有最大照明亮度和均匀度；上述扩束准直透镜组4包括有负球面透镜5和正球面透镜6，负球面透镜5和正球面透镜6共物方焦面，对均匀光斑整形成与多块数字微反射镜拼接面尺寸相匹配，即让均匀光斑与多块数字微反射镜拼接面尺寸相同，光学系统实现对数字微反射镜所产生的时变图形的高质量传输。

本实施例中，上述照明系统中平面反射镜7镀有高反层，如图2所示，平面反射镜7与水平面的夹角为θ=10°，保持和数字微反射镜的微小镜子偏转角度±10°相匹配，以实现数字微反射镜出射光高效且平行传至数字微反射镜拼接中继系统。

本实施例中，上述拼接中继光学系统中第一抛物面反射镜9是从同一抛物面反射镜上截取下来的两块反射镜，尺寸与所对应的数字微反射镜有效面积相匹配，拼接于同一基底，且两反射镜处于同一抛物面上；上述拼接中继光学系统中多块数字微反射镜拼接在两个上下彼此平行的平面上，两平面装于同一基底，边界相互遮挡以保证整个有效面积更加紧凑，增大多块数字微反射镜拼接在一起的填充因子来提高光刻效率。

本发明的大面积数字光刻光学系统，适用于N（N≥2)块数字微反射镜拼接光刻系统。

本实施例中，大面积数字光刻系统中的数字微反射镜拼接补偿方法如图3、4所示，图中数字微反射镜8为单块数字微反射镜，4块数字微反射镜8拼接在两个上下彼此平行的平面上，两平面装于同一基底，边界相互遮挡以保证整个有效面积更加紧凑，增大数字微反射镜拼接在一起的填充因子来提高光刻效率。如图3所示，数字微反射镜上微小反射镜组成的区域25的尺寸为1.2cm x 1.4cm；数字微反射镜的拼接边界重叠区域边界24的长为0.3cm，数字微反射镜的填充效率为:

四块数字微反射镜8拼接时的填充效率为：

  

则拼接后，基板单位面积上光刻图形面积提高，因此当用4块数字微反射镜拼接时，光刻效率相比无拼接时提高17.93%，是单块数字微反射镜的4倍，该发明适用于N（N≥2)块数字微反射镜拼接光刻系统。

如图5所示，其中一个拼接平面上的数字微反射镜8上的光入射到第一抛物面反射镜9，另一拼接平面上的数字微反射镜8上的光入射到第二抛物面反射镜10，共同入射到第三抛物面11，最终实现整个拼接数字微反射镜图形无光程差传至投影系统。本发明中数字光刻图形通过拼接中继系统后无光程差且高质量传输，能实现高均匀度、高效的印刷电路板以及各种微米级三维结构光刻，本数字光刻光学系统结构简单且造价低廉，经济实惠且操作简便。

Claims (10)

1.一种大面积数字光刻光学系统，其特征在于包括有照明光学系统、数字微反射镜拼接中继系统和投影光学系统，所述照明光学系统包括半导体激光器（1）、聚焦透镜（2）、光纤均束器（3）、扩束准直透镜组（4）、平面反射镜（7）；所述数字微反射镜拼接中继系统包括数字微反射镜（8）、第一抛物面反射镜（9）、第二抛物面反射镜（10）和第三抛物面反射镜（11）；所述投影光学系统包括第一透镜组（12）、孔径光阑（17）和第二透镜组（18），其中半导体激光器（1）发出的激光经聚焦透镜（2）入射到光纤均束器（3），从光纤均束器（3）出来的光斑经扩束准直透镜组（4）整形后的光斑到达平面反射镜（7），并经平面反射镜（7）到达数字微反射镜（8），经数字微反射镜（8）出来的光斑经第一抛物面反射镜（9）及第二抛物面反射镜（10）反射至第三抛物面反射镜（11），经第三抛物面反射镜（11）出来的光斑经第一透镜组（12）及孔径光阑（17）到达第二透镜组（18）。

2.根据权利要求1所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于上述透镜组（4）把由光纤均束器（3）出来的光斑整形成和多块数字微反射镜拼接尺寸匹配的光斑。

3.根据权利要求1所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于上述数字微反射镜拼接中继光学系统中的第一抛物面反射镜（9）和第二抛物面反射镜（10）共光轴，且拼接在同一基底上，且数字微反射镜（8）、第一抛物面反射镜（9）、第二抛物面反射镜（10）三块抛物面反射镜共焦点，则从数字微反射镜出来的光由第一抛物面反射镜（9）和第二抛物面反射镜（10）共同反射聚焦到一点，再由第三抛物面反射镜（11）反射后平行出射到投影系统。

4.根据权利要求1所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于上述由第一透镜组（12）、孔径光阑（17）和第二透镜组（18）组成的投影光学系统具有双远心结构，且第一透镜组（12）和第二透镜组（18）关于孔径光阑（17）完全对称。

5.根据权利要求1至4任一项所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于上述第一透镜组（12）包括第一透镜（13）、第二透镜（14）、第三透镜（15）、第四透镜（16）；所述第二透镜组（18）包括第五透镜（19）、第六透镜（20）、第七透镜（21）和第八透镜（22），这八片透镜均为球面透镜，所述第一透镜（13）和第八透镜（22）材料和结构完全相同，第二透镜（14）和第七透镜（21）材料和结构完全相同，第三透镜（15）和第六透镜（20）材料和结构完全相同，第四透镜（16）和第五透镜（19）的材料和结构完全相同，上述八片球面透镜关于孔径光阑（17）结构和材料完全对称相同，则物像共轭对称，实现物和像按1:1传输。

6.根据权利要求5所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于上述半导体激光器（1）能发出405nm的激光束，若干个半导体激光器（1）发出的激光经若干个聚焦透镜（2）入射到光纤均束器（3）。

7.根据权利要求5所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于，其特征在于上述照明光学系统中的扩束准直透镜组（4）的出瞳与投影光学系统的入瞳相匹配；上述扩束准直透镜组（4）包括有负球面透镜（5）和正球面透镜（6），负球面透镜（5）和正球面透镜（6）共物方焦面，对均匀光斑整形成与多块数字微反射镜拼接面尺寸相匹配。

8.根据权利要求5所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于，其特征在于上述照明系统中平面反射镜（7）镀有高反层，平面反射镜（7）与水平面的夹角为θ=10°，保持和数字微反射镜的微小镜子偏转角度±10°相匹配。

9.根据权利要求5所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于，其特征在于上述数字微反射镜拼接中继光学系统中第一抛物面反射镜（9）是从同一抛物面反射镜上截取下来的两块反射镜，尺寸与所对应的数字微反射镜有效面积相匹配，拼接于同一基底，且两反射镜处于同一抛物面上；上述数字微反射镜拼接中继光学系统中多块数字微反射镜拼接在两个上下彼此平行的平面上，两平面装于同一基底，边界相互遮挡。

10.根据权利要求5所述的大面积数字光刻光学系统，其特征在于适用于N（N≥2)块数字微反射镜拼接光刻系统。