CN104698768B - 光刻曝光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光刻曝光系统，沿光传播方向依次包括：相干光源、分光光学元件、扩束系统、微透镜阵列、可变聚焦透镜以及载有曝光片的工作台；其中，相干光源产生入射光，经分光光学元件分成若干束相干光束，相干光束经扩束系统扩束后入射到微透镜阵列，再次被分解成多束子光源，多束子光源进入可变聚焦透镜后聚焦到曝光片上，并在曝光片上发生干涉。本发明的光刻曝光系统结构简单，无掩模，能够实现灵活调整图形结构；并且，由于采用无掩模的方式，系统中的所有能量基本都能被利用，所以光源的利用率更高，另外可变聚焦透镜的设计比投影物镜的设计更简单，可以实现整个曝光片的一次性曝光。

Description

光刻曝光系统
技术领域
本发明涉及光刻领域，特别涉及一种光刻曝光系统。
背景技术
发光二级管（LED）由于其节能、环保、长寿命的特性引起了人们的广泛关注，是未来社会所需要的新型照明光源。其中，GaN基LED作为蓝光照明材料，其优势尤其明显，然而目前的GaN基LED因亮度太低还无法广泛应用。其主要根源是器件的内量子效率和光提取效率很低，光提取效率低主要原因是，GaN材料与外界材料的折射率相差很大，存在界面全反射作用，LED发射的大部分光在界面被反射回来，形成波导光被困在器件内部，经过多次反射最终被半导体吸收，转化为热能。
目前，本领域技术人员采用的方法是在蓝宝石衬底上制作二维结构，然后生长GaN材料制作成LED器件。研究表明，这种方法同时具有提高内量子效率和提取效率的效果。但是在这种方法中，衬底图形的制作大多采用半导体工艺的光刻法，即：先将图形制作在衬底表面的遮挡层上，然后用干刻法或湿刻法将图形转移到蓝宝石衬底上，采用光刻曝光的方法必须先制作光刻掩模版，而一块光刻掩模版只能对应一个周期的结构，不利于不同周期的衬底结构制作，此外，光刻工艺分辨率比较低，不利于小周期图形的制作。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单，能够实现无掩模，灵活调整图形结构的光刻曝光系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光刻曝光系统，沿光传播方向依次包括：相干光源、分光光学元件、扩束系统、微透镜阵列、可变聚焦透镜以及载有曝光片的工作台；其中，相干光源产生入射光，经分光光学元件分成若干束相干光束，相干光束经扩束系统扩束后入射到微透镜阵列，再次被分解成多束子光源，多束子光源进入可变聚焦透镜后聚焦到曝光片上，并在曝光片上发生干涉，并形成第一点阵和第二点阵；所述第一点阵满足以下公式：Lm=λ*Flens/P；所述第二点阵满足以下公式：Lp=Fml*β=Fml*α/N；其中Lm为第一点阵间隔，Flens为可变聚焦透镜的焦距，P为微透镜阵列中的每个子孔径的周期，λ为常数；Lp为第二点阵间隔；Fml为微透镜阵列中的每个子孔径的焦距，β为通过扩束系统后光束的角度间隔，α为经分光光学元件后的光的角度间隔；N为扩束系统的收缩倍数。
作为优选，整个曝光视场A满足以下公式：A=Lm*Lm/(λ*Fml)。
作为优选，所述相干光源采用UV光源。
作为优选，所述相干光源产生的入射光经一扩束器进入所述分光光学元件。
作为优选，所述微透镜阵列包括第一组微透镜阵列和第二组微透镜阵列，两组微透镜阵列之间的间隔可以进行调节，以便调节曝光视场的大小。当然，如果不需要调节视场大小，也可以直接使用一个微透镜阵列。微透镜阵列有两种作用，一是起到分光的作用，另外是起到匀光作用，这样经过微透镜阵列和可变聚焦透镜后，能够形成规则的均匀阵列孔。
作为优选，所述微透镜阵列采用2面柱面、单面球面或双面球面的形式。
作为优选，所述微透镜阵列采用方形或六角形。
作为优选，所述分光光学元件采用ROE光学元件或DOE光学元件。
作为优选，所述扩束系统采用变焦扩束器，所述变焦扩束器的放大倍数可以灵活的调节，以便调节从分光光学元件出射的子光束角度。
作为优选，所述曝光片设置在所述可变聚焦透镜的焦面上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的光刻曝光系统结构简单，无掩模，能够实现灵活调整图形结构；并且，由于采用无掩模的方式，系统中的所有能量基本都能被利用，所以光源的利用率更高，另外可变聚焦透镜的设计比投影物镜的设计更简单，可以实现整个曝光片的一次性曝光。采用本发明的光刻曝光系统进行的PSS工艺，与传统光刻法在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体图形相比，具有光学系统简单、制作过程快速、能用一次曝光制作大面积光子晶体图形等优点，此外，还能靠调整光路参数来实现不同周期图形的制作，有效降低了制作成本。
附图说明
图1为本发明一实施例中光刻曝光系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例微透镜结构示意图；
图3为本发明一实施例微透镜干涉点阵和分光光学元件形成的点阵图。
图中：101-相干光源、102-分光光学元件、103-扩束系统、104-微透镜阵列、1041-第一组微透镜阵列、1042-第二组微透镜阵列、105-可变聚焦透镜、106-曝光片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明的光刻曝光系统，沿光传播方向依次包括：相干光源101、分光光学元件102、扩束系统103、微透镜阵列104、可变聚焦透镜105以及载有曝光片106的工作台。
请继续参照图1，本实施例中，相干光源101采用波长λ为355nm的UV光源，产生入射光束，经过所述分光光学元件102。
分光光学元件102采用二元光学的方法，将入射光束变为多束等角度间隔、等光强分布的出射光束，设角度间隔为α，经过扩束系统103。
较佳的，所述扩束系统103采用调节收缩倍数的变焦扩束器。因此，扩束系统103能够将入射光的角度和宽度按照一定的比例进行放大或收缩，设扩束系统103的收缩倍数为N，通过扩束系统103后光束的角度间隔β=α/N；由于N可以调节，所以分光光学元件102分出出射光束的角度间隔α经扩束系统103后也可以进行调节。
以其中一束为例，该光束经过微透镜阵列104后，被分解成多束子光源，这些多束子光源进入可变聚焦透镜105后聚焦到曝光片106上，在曝光片106上发生干涉。
如图2所示，假设微透镜阵列104中的每个子孔径的周期为P，焦距为Fml；经过微透镜阵列104后的多束子光源会发生干涉，透过可变聚焦透镜105后，在可变聚焦透镜105的焦面上形成干涉点阵，曝光片106被放置在该焦面上，设可变聚焦透镜105的焦距为Flens；如图3所示，图中“X”代表微透镜阵列104形成的点阵，点阵间隔为Lm，Lm满足以下公式：
Lm=λ*Flens/P；
同时，由于进入微透镜阵列104之前的光束为多束等间隔的光，所以原本“X”的点阵阵列被分解成多束“o”的光束，这些“o”的点阵间隔为Lp；Lp满足以下公式：
Lp=Fml*β=Fml*α/N；
通过由于N为可调节的参数，所以Lp也可以调节，这样，可以实现所有的点阵间隔全部实现均匀的分布；
另外整个曝光视场A满足以下公式：
A=Lm*Lm/(λ*Fml)；
又由于微透镜阵列104包括第一组微透镜阵列1041和第二组微透镜阵列1042，且两组微透镜阵列1041、1042之间的间隔D可以调节，所以Fml也可以进行调节，这样可以实现整个曝光视场A大小可以进行调节，由于可变聚焦透镜105的焦距Flens也可以调节，这样所有的点阵的间隔都可以进行调节，以适应不同PSS（patterned sapphire substrate；蓝宝石图形化衬底）工艺的曝光应用。综上所述，本发明的光刻曝光系统，沿光传播方向依次包括：相干光源101、分光光学元件102、扩束系统103、微透镜阵列104、可变聚焦透镜105以及载有曝光片106的工作台。相干光源101产生入射光，经过分光光学器件102后，被分成若干束等角度间隔、等光强分布的相干光束，该相干光束经过一个扩束系统103，较佳的，所述扩束系统103为可变倍数的变焦扩束器。该变焦扩束器通过调节不同的扩束倍数来调节相干光束的角度间隔，经过变焦扩束器后，具有需要角度的光束入射到微透镜阵列104，经过微透镜阵列104后，入射光再次被分解成多束子光源，这些多束子光源进入可变聚焦透镜105后聚焦到曝光片106上，由于是相干光源，经过微透镜阵列104后的不同子光源在曝光片106上发生干涉。采用本发明的光刻曝光系统进行的PSS工艺代替传统光刻法在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体图形，具有光学系统简单、制作过程快速、能用一次曝光制作大面积光子晶体图形等优点，此外，还能靠调整光路参数来实现不同周期图形的制作，有效降低了制作成本。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种光刻曝光系统，沿光传播方向依次包括：相干光源、分光光学元件、扩束系统、微透镜阵列、可变聚焦透镜以及载有曝光片的工作台；其中，相干光源产生入射光，经分光光学元件分成若干束相干光束，相干光束经扩束系统扩束后入射到微透镜阵列，再次被分解成多束子光源，多束子光源进入可变聚焦透镜后聚焦到曝光片上，并在曝光片上发生干涉，并形成第一点阵和第二点阵；所述第一点阵满足以下公式：Lm＝λ*Flens/P；所述第二点阵满足以下公式：Lp＝Fml*β＝Fml*α/N；
其中Lm为第一点阵间隔，Flens为可变聚焦透镜的焦距，P为微透镜阵列中的每个子孔径的周期，λ为常数；Lp为第二点阵间隔；Fml为微透镜阵列中的每个子孔径的焦距，β为通过扩束系统后光束的角度间隔，α为经分光光学元件后的光的角度间隔；N为扩束系统的收缩倍数，所述扩束系统采用变焦扩束器，其收缩倍数N可调节。
2.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，整个曝光视场A满足以下公式：A＝Lm*Lm/(λ*Fml)。
3.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述相干光源采用UV光源。
4.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述相干光源产生的入射光经一扩束器进入所述分光光学元件。
5.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述微透镜阵列包括第一组微透镜阵列和第二组微透镜阵列；所述第一组微透镜阵列和第二组微透镜阵列之间的间隔可以调节。
6.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述微透镜阵列采用2面柱面、单面球面或双面球面的形式。
7.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述微透镜阵列采用方形或六角形。
8.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述分光光学元件采用ROE光学元件或DOE光学元件。
9.如权利要求1所述的光刻曝光系统，其特征在于，所述曝光片设置在所述可变聚焦透镜的焦面上。
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