CN1079555A - 圆柱表面投影式曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种可广泛地用来制造光学、电子学和电磁学元 件的圆柱表面投影式曝光方法。该方法利用光学成 像原理，通过采用锥角为90°的锥形反射面直接将 平面掩膜图案投影到圆柱表面上，具有曝光效率高、 精度高，适合于工业生产的优点。

Description

本发明涉及一种曝光方法，特别涉及一种圆柱表面投影式曝光方法，国际专利分类号为：G03F7/24，G03F7/20。

圆柱表面光刻技术是一种极具产生潜力的基础性技术，利用它可以制造光学、电子学和电磁学原件，例如圆柱光栅、圆柱电极和微型线圈等。在该技术中，圆柱表面的曝光是最关键的一个环节，在已公开发表的技术文献中，存在两种对圆柱表面进行光刻曝光的方法：第一种方法[EPA：WO90/06254，G03F7/24]利用激光束在圆柱表面上进行扫描曝光，其原理如图1所示。其中，（1）为圆柱体，（2）为圆柱体（1）内、外表面上的光刻胶层，（3）和（4）为内外表面激光扫描头。圆柱体（1）可绕其轴线做旋转运动，扫描头（3）、（4）可以在通过圆柱体轴线的一个平面内运动，图中省略了运动执行系统和光束传递系统。在曝光时，通过适当驱动圆柱体和聚焦头的运动，并控制光的开和关，就可在内外圆柱表面上实现所需图案的曝光。第二种方法[JP文摘56-40832，G03F7/24]利用接触式掩膜在圆柱表面上实现曝光，其原理如图2所示。其中，（5）为圆柱体，（6）为其内表面上的光刻胶层，（7）为以弹性透明材料为基底做成的空心圆柱型掩膜，（8）为照明光源，图中省略了一些辅助系统，曝光前先在掩膜（7）内充压入气体使其弹性变形而与光刻胶层紧贴。充入的气体为掺有微散射粒子的氮气（N）或类似的气体，然后打开光源曝光，就可将弹性圆柱掩膜上的图案曝光在光刻胶层上。这两种方法的主要缺点是曝光效率低，实施困难。此外，前者曝光精度和曝光效率相互制约，刻划线条的边缘锐度受到激光束特性的限制;后者由于采用了弹性掩膜基底，其光刻精度受到弹性基底变性特性的限制，且具有接触式掩膜光刻成品率低的缺点。现有这两种曝光方法的不足，严重阻碍了圆柱表面光刻技术的实际应用，因而急需发展一种新型的曝光技术。

本发明的目的就是提供一种曝光效率、精度及成品率等综合指标优于现有两种方法，并具有工业生产优点的圆柱表面投影式曝光方法。

图1是激光束扫描曝光原理图。

图2是内圆柱表面接触式掩膜曝光原理图。

图3是平面与外圆柱表面映射原理图。

图4是平面与内圆柱表面映射原理图。

图5是平面与圆柱面坐标示意图。

图6是漏斗型反射元件的结构示意图。

图7是锥型反射零件的结构示意图。

图8是一种实现本发明的装置示意图。

图9是圆柱型光栅示意图。

图10是环形互感线圈示意图。

下面结合附图对本发明的实现原理作详细的说明。

本发明提供一种圆柱表面曝光方法。该方法利用光学成像原理，通过采用锥角为90°的锥型反射面直接将平面掩膜图案投影到圆柱表面上。图3和图4分别为内、外锥面形成的平面到外、内圆柱表面映射原理示意图。其中，（9）为物面，（10）为平面光学成像光组，（11）为物面（9）相对于平面光学成像光组（10）的共轭象面，（12）为锥角为90°的内反射锥面，（13）为锥角为90°的外反射锥面，（14）为共轭象面（11）相对于内反射锥面（12）的共轭象面，（15）为共轭象面（11）相对于外反射锥面（13）的共轭象面。

在图3所示的投影光路中，物面（9）上的a点经平面光学成像光组（10）成像在象面（11）的a点，然后经内反射锥面（12）成像在外圆柱面的a点上。这个映射过程可描述为：

Z＝0，其他情况;

θ_C＝θ_R。

其中，

和

分别为物面（9）和象面（11）平面上的坐标矢量，M＝li/lo，为光学成像系统的横向放大率，li、lo分别为物距和象距，其符号按几何光学中的常用规定处理，Z、θ_C为柱面坐标的高度和幅角分量，θ_R为 的幅角。圆柱面坐标与平面坐标之间的关系如图5所示，圆柱面的对称轴与平面垂直，

为圆柱面半径，也就是反射锥面与平面相交圆的半径。

类似地，在图4中，物面（9）上的b点经平面光学成像光组（10）成像在像面（11）的b点，然后经外反射锥面成像在内圆柱面b点上，这种映射过程可由数学关系表达成：

Z＝0，其他情况;

θ_C＝θ_R。

这种平面对圆柱面的映射有一对一映射和非线性两个特点，所映射的圆柱面的直径为像平面（11）与锥面相交圆的直径。利用这种原理就可以通过在物面（9）上放置平面掩膜板来实现工件上内、外圆柱面的光刻曝光。实际存在的内反射锥型元件为漏斗型反射元件，外反射锥面元件为锥型反射元件，它们分别示于图6和图7中。这两种元件都不是理想光学元件，其象差必须由透镜系统进行补偿。

在该映射原理的基础上也可以扩展出圆柱面对圆柱面的映射，方法是在物面（9）处再放置一个锥型反射面，通过两个锥型反射面实现圆柱面之间的映射。圆柱面对圆柱面的映射则是一对一的线性映射，其放大率由成像系统决定。关于圆柱面之间的映射我们就不赘述了，完全可以由平面与圆柱面间的映射关系导出。

基于上述映射原理的圆柱表面曝光装置由照明光学系统、掩膜及其定位系统、光学成像系统及工件及其定位系统组成，它们的基本功能为：

1）照明光学系统给掩膜提供下式所规定的照明光强分布：

I

/I

＝｜

｜/｜

｜，（3）

即：从掩膜中心沿径向任一点上的能量与该点到掩膜中心的距离成反比，以保证在圆柱表面上形成均匀的照度分布，照明光学系统由光源、均光光学部件及投影光学元件组成;

2）掩膜及其定位系统由掩膜和定位系统组成，掩膜确定所需的曝光图案，定位系统确定掩膜的空间位置;

3）光学成像系统形成平面与圆柱面之间的共轭成像关系，它由平面成像光组、锥面反射元件、滤光片，快门及光圈组成，采用漏斗型元件形成平面与外圆柱面的映射，采用锥型元件则形成平面与内圆柱面的映射;

4）工件及其定位系统由工件和定位系统组成，工件上的圆柱面即为待曝光的工作面，定位系统确定圆柱面的空间位置。

各系统之间的相互关系为：

1）照明光学系统的光轴与光学成像系统的光轴重合;

2）垂直于掩膜平面且通过其对称中心的轴与光学系统光轴重合;

3）工件上圆柱面的对称轴与光轴重合;

4）掩膜平面与工件上的圆柱面互为共轭。

图8为一种基于平面圆柱面映射原理的曝光装置示意图。（16）为高压汞灯光源，（17）为圆柱型均光毛玻璃。在均光毛玻璃（17）表面上形成的均匀光强分布经漏斗型反射元件（18）及光学透镜（19）投影到位于其共轭面上的掩膜板（20）上，（21）为掩膜定位平台，用于调整掩膜位置。光源（16）到光学透镜（19）构成光学照明系统。（22）为光学成像透镜，它与漏斗型反射光学元件（26）将掩膜（20）成像在圆柱工件（28）表面的光刻胶层（29）上。（23）为可变光圈，（24）为机械快门，（25）为滤光片。光圈（23）和快门（24）用于控制分辨率和光能，滤光片（25）用于使系统工作在调整或者是曝光状态。光学成像透镜（22）到漏斗型反射光学元件（26）构成了光学成像系统，（27）为工作定位工作台。

在该装置上，只要将漏斗型元件（26）换成锥型元件，将工件换成内表面型，经适当变换位置后，即可形成内圆柱表面的曝光装置，这里就不再画出示意图了。

在上述曝光装置上，圆柱表面的曝光按照以下步骤进行：

1）打开光源（16）;

2）设置滤光片（25），使通过的光处于光刻胶不感光波段;

3）设置光圈（23）并打开快门（24）;

4）将平面掩膜板（20）安装在定位平台（21）上，并调整到所需位置上;

5）将涂有光刻胶的圆柱工件（28）安装在定位工作台（27）上，并调整到所需位置上;

6）关闭快门（24）;

7）去掉滤光片（25）;

8）打开快门（24）曝光，到预先设定的时间后关闭快门;

9）取下圆柱工件，曝光工作结束。

将本发明提出的曝光方法与平面曝光方法结合，可以对由圆柱表面（或部分圆柱表面）与平面组成的物体表面进行光刻曝光。

实施例：

（一）圆柱型光栅的制成

圆柱光栅是将光栅图案制作在圆柱基底上的一种计量元件，根据基底的特性可以制做成透射光栅或反射光栅。光栅图案可以直接由光刻胶形成，也可由金属膜层形成。在前一种方法中，将加工好的圆柱基底的刻划面上涂上均匀的光刻胶层，然后经曝光及显影后即得到制作好的光栅。在后一种方法中，首先要将圆柱基底上镀上一层金属膜层，之后涂上光刻胶，经预烘、曝光、显影、坚膜及腐蚀后即将光栅制成。前一种方法制作的光栅成本低，后一种方法制作的光栅精度高、耐用。

我们利用本发明提出的曝光方法，在玻璃圆柱基体上制作了透射型圆柱光栅。光栅图案直接由光刻胶形成，光栅的栅线为平行于柱面轴线的平行直线，其参数为：光栅角周期1°。透光部分角宽度0.5°，圆柱玻璃基底长度12毫米;外径20毫米，壁厚2毫米，光栅图案刻划长度8毫米。具体作法为：

1）在加工好的圆柱玻璃基底上均匀涂上AZ-1350正性光刻胶，胶层厚度约为0.6μm;

2）放在90℃烘箱中预烘25分钟;

3）光刻图案曝光，具体过程如前面所述，其中，所用滤光片对5000A以上波段透明，以下波段不透明，所用的1∶1掩膜图案由平面光刻方法制成，如图9所示，其角宽度为0.5°，角周期1°，刻划区域内径为22mm，外径为38mm;

4）显影;

5）放在120℃烘箱中坚膜30分钟;

6）涂透明保护漆，约2μm厚。

（二）微型导电线圈的制作

用光刻方法在圆柱体表面上制做微型线圈与用漆包线绕制的线圈相比，具有参数一致性好，便于微型化等优点。我们利用在本发明提出的曝光方法基础上形成的光刻技术在直径为16毫米的玻璃骨架上制做了螺旋导电线圈，其参数为：导电层厚度30μm，螺旋线宽度为60μm，间距为60μm，圈数为100。具体制做工艺过程为：

1）在圆柱玻璃表面上蒸镀导电层作为电极，厚度约0.6μm，材料为铜;

2）在圆柱玻璃表面上电镀铜导电层至厚度30μm;

3）涂AZ-1350正性光刻胶，胶层厚度约为0.6μm;

4）放在90℃烘箱中预烘25分钟;

5）光刻图案曝光，所用的1∶1掩膜图案由平面光刻技术制做，它为平面螺旋线，线宽60μm，间距60μm，刻划区域内径为18mm，外径为30mm;

6）显影;

7）放在120℃烘箱中坚膜30分钟;

8）腐蚀;

9）涂绝缘保护层。

当需要多层光刻时，可在腐蚀之后涂绝缘层，然后重复上述工艺过程。线圈也可直接在导磁材料或其他绝缘骨架上制做。

（三）截面为矩形的环形互感线圈的制做

截面为矩形的环形互感线圈如图10所示，这种互感线圈可以联合利用圆柱表面和平面光刻技术制造。圆柱表面与平面光刻技术的差别仅在曝光方法上。我们利用这种组合光刻技术制做的互感线圈参数为：圆环内径20毫米，外径30毫米，环高4毫米，导电层厚40μm，导电层宽度50μm，间距50μm，具体过程为：

1）在圆环型导磁材料上涂绝缘层;

2）化学镀银导电层作为电极，银层厚1μm;

3）电镀铜导电层厚度至40微米;

4）在圆环表面涂AZ1350型正性光刻胶，胶层厚约0.6μm;

5）在90℃烘箱中预烘25分钟;

6）分别用四块掩膜板对内、外圆柱面积上、下表面曝光，它们在环形表面形成一导电图案;

7）显影;

8）在120℃烘箱中坚膜30分钟;

9）腐蚀导电层;

10）涂绝缘保护漆。

由于本发明系采用平面掩膜对圆柱表面进行曝光，其平面掩膜板可以利用现在已非常成熟的平面光刻技术制造，曝光过程易于实施，具有精度高，成品率高及生产效率高等特点。

Claims (3)

1、圆柱表面投影式曝光方法，首先准备一个由光源、均光光学部件及投影光学元件组成的能在掩膜平面上形成的光能分布为从掩膜中心开始沿径向任一点上的能量与该点到掩膜中心的距离成反比的照明光学系统，确定所需曝光图案的平面掩膜及其定位系统，其特征在于，同时还得准备一个由平面光学成像光组、锥面反射元件、快门、滤光片及光圈组成的能够形成平面与圆柱面之间为共轭成像关系的光学成像系统；在平面掩膜的共轭像面上放置载有待曝光圆柱面的工件及其定位系统，其次，按下述步骤进行曝光：

1)打开光源；

2)设置滤光片，使通过的光处于光刻胶不感光波段；

3)设置光圈并打开快门；

4)将平面掩膜板安装在定位系统上，并调整到所需位置上；

5)将涂有光刻胶的圆柱工件安装在定位系统上，并调整到所需位置上；

6)关闭快门；

7)去掉滤光片；

8)打开快门曝光，到预先设定的时间后关闭快门。

2、根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所采用的锥面反射元件为锥角是90°的漏斗型元件。

3、根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所采用的锥面反射元件为锥角是90°的锥型元件。

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