CN108681210A - 一种小型激光直写光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型激光直写光刻机，属于无掩膜光刻技术领域。该小型激光直写光刻机，包括：光纤激光器、分光镜组件、照明模块、自动聚焦模块、分别设置在聚焦镜组件上方和下方的摄像头和压电物镜、设置在分光镜组件和自动聚焦模块之间的双反射镜、以及分别与光纤激光器、自动聚焦模块和压电物镜通信连接的控制中心；分光镜组件包括由上至下依次层叠设置的第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜。本发明采用光纤激光器、光纤准直器进行输出光的调节，降低了调整的复杂性，同时使用紧凑的笼式系统，在很大程度上缩小了系统体积，降低了系统的复杂度，同时缩减其它部分的体积如离焦探测系统等，最终实现了本系统小型化、紧凑式的系统结构。

Description

一种小型激光直写光刻机

技术领域

本发明涉及无掩膜光刻技术领域，具体涉及一种小型激光直写光刻机。

背景技术

伴随着半导体工业器件尺寸的不断缩小，光刻的在器件加工中的地位也更加变得不可替代。传统的投影式光刻中，曝光工艺所使用的掩膜板是经过繁琐的工艺加工出来的，成本相对较高，而且光刻图形一经加工还就无法改变，缺少灵活性。而无掩膜光刻可以解决这一问题，并且具有很强的工艺兼容性，可以满足灵活、高效、低成本的要求，具有广泛的应用前景。

现有的无掩膜激光直写光刻系统，在体积上都相对较大，从而使得其占地空间比较大；而且现有的激光直写系统移动相对不够灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型激光直写光刻机，其用于专业研究级实验室中小尺寸样品的光刻，以解决现有无掩膜光刻结构复杂、机体积大的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种小型激光直写光刻机，包括：光纤激光器、分光镜组件、照明模块、自动聚焦模块、分别设置在分光镜组件上方和下方的摄像头和压电物镜、设置在分光镜组件和自动聚焦模块之间的双反射镜、以及分别与光纤激光器、自动聚焦模块和压电物镜通信连接的控制中心；分光镜组件包括由上至下依次层叠设置的第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜；第一分光镜与光纤激光器对应设置，以将激光经第一分光镜分光后，其反射光束经第二分光镜、第三分光镜透射后进入压电物镜，并汇聚在压电物镜下方的样品表面；第二分光镜与照明模块对应设置，以将照明光经第二分光镜分光后，其反射光束经第三分光镜透射后进入压电物镜，照射到样品上，并通过样品反射回压电物镜最终在摄像头上成像；第三分光镜与自动聚焦模块对应设置并且第三分光镜和自动聚焦模块之间设有双反射镜，以将自动聚焦模块产生的光经双反射镜反射后进入第三分光镜分光，分光得到的反射光进入压电物镜，再经样品反射后沿相同光路返回至自动聚焦模块。

本发明的刻写光路由光纤激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和压电物镜等主要元件构成，激光经第一分光镜反射后依次经第二分光镜和第三分光镜透射，进入压电物镜，经过压电物镜汇聚在样品表面，实现刻写功能。本发明的成像光路由照明模块、第二分光镜、压电物镜和摄像头等主要元件构成，第二分光镜将发散的照明光变成准平行光。照明光通过第二分光镜后分为反射光束和透射光束，反射光束经过第三分光镜透射后进入压电物镜，照射到样品上，通过样品反射回压电物镜，并最终在摄像头上成像。

本发明的自动聚焦光路由自动聚焦模块，双反射镜、第三分光镜和压电物镜等主要元件构成，自动聚焦模块产生半圆的红光，经过双反射镜(两个平行设置的反射镜构成)反射后，照射到第三分光镜上，之后透过压电物镜，经样品反射回第三分光镜，再经过两反射镜后最终回到自动聚焦模块。自动聚焦模块通过处理光信号得到离焦信号，并传输给控制中心。控制中心的电脑计算出实际离焦距离后将电信号传输给压电物镜。自动聚焦模块可以标记距离焦点一定范围内的任意位置作为原点。

本发明的小型激光直写光刻机在结构上以分光镜组件为中心，在其旁侧分别设置用于形成刻写光路、成像光路和自动聚焦光路的光纤激光器、照明模块和自动聚焦模块，主光路由层叠设置的第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜构成传输通道，其结构紧凑，极大地缩小了产品体积。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述光纤激光器为单模光纤激光器，其采用的激光的波长不超过450nm。

本发明采用单模光纤激光器，免去了复杂的光束整形光路，减少了安装体积。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述照明模块包括LED光源以及依次设置在LED光源前方的黄色高通滤波片和聚焦透镜组件。

本发明在LED光源前方设置黄色滤光片，保证了450nm以下光不会进入主光路，避免观察时光线对光刻胶产生影响。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述小型激光直写光刻机还包括光纤准直器，光纤准直器设置在光纤激光器和第一分光镜之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述小型激光直写光刻机还包括XY调节器，XY调节器安装在摄像头和第一分光镜之间。本发明通过XY调节器精确调整摄像头的位置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述小型激光直写光刻机还包括设置在第三分光镜和压电物镜之间的物镜转盘，压电物镜固定在物镜转盘上。通过物镜转盘调节物镜位置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述小型激光直写光刻机还包括设置于压电物镜下方的样品台，样品台包括位移台和设置在位移台上的样品夹具，位移台与控制中心通信连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的小型激光直写光刻机，优化了传统的光刻机的光路，省掉了一些不必要的元件，如扩束镜和滤波器。

本发明主要的光学元件(分光镜组件和双反射镜)都采用标准化光学元件和接口，在一定程度上降低了光路调整的复杂度，方便安装、维护、搭建、改造。

本发明的刻写光路采用了单模光纤激光器和光纤准直器，免去了采用空间光激光器所需的光束整形、调整光路。本发明通过光纤激光器、照明模块、自动聚焦模块和分光镜组件等主要元件之间位置关系的合理配合，将所有的标准大小元件装配在一个紧凑的笼试系统中，缩减了激光直写光刻机的体积，提高了该系统的可靠性与稳定性。

本发明在自动聚焦模块中，利用原点可标记的特点，增加了光刻的灵活性。通过标定不同的原点位置，刻不同厚度的光刻胶。

附图说明

图1为本发明实施例小型激光直写光刻机的原理图；

图2为本发明实施例小型激光直写光刻机一侧的结构示意图；

图3为本发明实施例小型激光直写光刻机另一侧的结构示意图；

图4为本发明实施例小型激光直写光刻机的照明模块的结构示意图，图中剪头为光线路径；

图5为本发明实施例小型激光直写光刻机进行光刻的效果图。

图中：100-小型激光直写光刻机；110-光纤激光器；120-光纤准直器；130-第一分光镜；131-第二分光镜；132-第三分光镜；140-照明模块；141-照明光源；142-滤波片；143-聚焦透镜组件；150-自动聚焦模块；160-摄像头；170-XY调节器；180-压电物镜；181-物镜转盘；190-反射镜；200-控制中心；210-样品台；220-主支架；221-副支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

请参照图1、图2和图3，本发明的小型激光直写光刻机100，其整体光路采用笼式系统搭建。笼式系统是一种基本的共轴光学搭建系统，其特点是可以利用支架自身加工精度来保证光学系统搭建的平行线与垂直性。整个系统主要由主支架220和副支架221支架搭建而成。

请参照图2和图3，本发明的小型激光直写光刻机100包括：光纤激光器110、光纤准直器120、分光镜组件、照明模块140、自动聚焦模块150、摄像头160、XY调节器170、压电物镜180、物镜转盘181、双反射镜、控制中心200和样品台210。其中，摄像头160、XY调节器170、分光镜组件、物镜转盘181和压电物镜180在竖直方向上由上至下垂直搭建，由主支架220支撑固定，压电物镜180下方对应设置样品台210。光纤激光器110、光纤准直器120、照明模块140和双反射镜由副支架221支撑固定，其中固定光纤激光器110的副支架221在图中为示出。主支架220和副支架221均为可调节高度的伸缩杆。

请参照图2和图3，光纤激光器110为单模光纤激光器110，其采用的激光的波长为405nm。光纤激光器110与第一分光镜130对应设置，通过光纤与第一分光镜130连接。光纤准直器120设置在光纤激光器110和第一分光镜130之间，并且安装在第一分光镜130上。摄像头160和压电物镜180分别设置在聚焦镜组件上方和下方。XY调节器170安装在摄像头160和聚焦镜组件的第一分光镜130之间。双反射镜设置在分光镜组件和自动聚焦模块150之间。双反射镜由两个平行设置的反射镜190构成。物镜转盘181设置在第三分光镜132和压电物镜180之间，压电物镜180固定在物镜转盘181上。控制中心200分别与光纤激光器110、自动聚焦模块150和压电物镜180通信连接。

请参照图2和图3，分光镜组件包括由上至下依次层叠设置的第一分光镜130、第二分光镜131和第三分光镜132。第一分光镜130与光纤激光器110对应设置，以将激光经第一分光镜130分光后，其反射光束经第二分光镜131、第三分光镜132透射后进入压电物镜180，并汇聚在压电物镜180下方的样品表面。第二分光镜131与照明模块140对应设置，以将照明光经第二分光镜131分光后，其反射光束经第三分光镜132透射后进入压电物镜180，照射到样品上，并通过样品反射回压电物镜180最终在摄像头160上成像。第三分光镜132与自动聚焦模块150对应设置并且第三分光镜132和自动聚焦模块150之间设有双反射镜，以将自动聚焦模块150产生的半圆红光经双反射镜反射后进入第三分光镜132分光，分光得到的反射光进入压电物镜180，再经样品反射后沿相同光路返回至自动聚焦模块150。自动聚焦模块150产生红光光斑其形状可以是圆形，也可是半圆光斑、矩形光斑、三型光斑等非圆光斑。

请参照图4，照明模块140包括照明光源141以及依次设置在照明光源141前方的黄色高通滤波片142和聚焦透镜组件143。照明光源141可以是LED光源。聚焦透镜组件143由至少两个平行设置的圆形凸透镜构成。凸透镜焦距与直径的比例不小于1。照明光源141需预先准直为平行光且达到物镜时拥有足够的光能量，并且附加滤光片滤掉刻写波长。本发明的照明光源141可以采用黄光灯，远射灯或高功率灯等符合前述两种要求的光源皆可。

本发明的光纤激光器110可采用开关调制，调整频率与波长适合即可，也可采用非调制光纤激光器110，并且附加声光、电光等方式调制器达到光开关调制作用。

样品台210包括位移台和设置在位移台上的样品夹具，位移台与控制中心200通信连接。位移台包括XY电动位移台和Z轴手动位移台，用于调节样品位置。XY电动位移台用于控制样品移动，样品夹具用于固定样品，Z轴手动位移台用于粗调聚焦。

控制中心200包括电脑，控制卡(FPGA)和驱动器。电脑负责导入图片，处理运算并将信号输入到FPGA控制卡中，FPGA控制卡负责驱动XY电动位移台进行扫描，同时控制光纤激光器110光开关。此外，控制卡根据接收到来自自动聚焦模块150的焦离信号计算出实际离焦距离，然后将焦离距离以电信号的形式传输给压电物镜180，促使压电物镜上下移动。

下面结合图1对本发明的工作原理进行说明。

本发明通过由照明模块140、第二分光镜131、压电物镜180和摄像头160等主要元件构成的成像光路确认一条主光轴。照明模块140可以采用LED光源或其他可见光照明光源141，在光源前加装黄色高通滤波片142和聚焦透镜组。黄色滤光片保证了450nm以下光不会进入主光路，避免观察时光线对光刻胶产生影响。聚焦透镜组可以将发散的照明光变成准平行光，提高照明光利用率，保证物镜获取并通过样品反射的光能量足以清晰成像。同时可以用于后续的主光轴确认。当光源亮度足够时，可以不用聚焦透镜组件143聚光。平行滤波后的照明光通过第二分光镜131后分为反射光束和透射光束，反射光束经过第三分光镜132透射后进入物镜，照射到样品上，通过样品反射回物镜，并最终在摄像头160上成像。摄像头160可以根据需要选择不同类型摄像头160。如果将样品放在物镜焦点上，可以通过XY调节器170将反射光光斑中心调节到摄像头160中心。此时反射光中轴即定为主光轴。物镜转盘181上安有不同倍率的普通物镜和压电物镜180，通过转盘可以切换。

本发明采用的刻写激光优选为405nm激光。因此，本发明优选405nm单模光纤激光器110。根据所用光刻胶不同，也可选用不同波长的光纤激光器110，如436nm，365nm，248nm等。通过光纤准直器120变为空间光，经第一分光镜130反射进入主光路，经过物镜会聚在样品表面，实现刻写功能。本发明采用单模光纤激光器110可以省去传统空间激光器前需要搭建的扩束镜，空间滤波器等复杂结构，并且能获得质量良好的光束。标准的光纤接口插入误差小，调节方便，可以利用准直器自带的四轴(XYZ和偏转)调节光路，不需要再使用双反射镜等光路调节元件就可以使刻写光路匹配到主光路上。

本发明的自动聚焦模块150优选为ATF4。其工作原理为偏心光束法。ATF4会产生半圆的红光，同时内置光电探测器与电路处理。半圆红光经过两个反射镜190反射后，照射到第三分光镜132上。之后透过物镜。通过双反射镜可以调节半圆红光对物镜的入射角度和入射位置，使半圆红光的直边与物镜入瞳直径对齐，半圆红光的圆心与物镜中心对齐。透过物镜的红光经样品反射回第三分光镜132，再经过两反射镜190后回到自动聚焦模块150内的光电探测器上。自动聚焦模块150通过处理光信号得到离焦信号，并传输给控制中心200的电脑。电脑计算出实际离焦距离后将电信号传输给压电物镜180。

偏心光束法具有较快的速度和较高的精度，同时利用偏心光束法的自动聚焦模块150可以标记距离焦点一定范围内的任意位置作为原点，也可通过控制光电探测器位置，在一定范围内调整聚焦精度及范围。

本发明通过标定到样品反射面不同距离作为激光聚焦位置，可以实现刻写不同光刻胶，刻蚀材料，光电流图谱等多种功能。

本发明的样品台210由下至上的结构为XY电动位移台(YA10A-R2H)，Z轴手动位移台(LGZ90)和样品夹具。XY电动位移台用于自动控制样品移动，样品夹具为普通方型样品卡具，用于固定样品。Z轴手动位移台通过螺纹转接板和螺丝安装于XY电动位移台上，用于粗调聚焦。电脑根据读取到的DXF格式的直写设计图形后，转化为与之对应的控制信号并输入到FPGA控制卡中，通过FPGA控制卡驱动XY电动位移台进行扫描，同时控制光纤激光器110光开关实现图形刻写功能。图5为我们用该系统进行光刻的效果图，其中主图为100倍率下拍摄的刻写结构局部图，右上附图为10倍率下拍摄的刻写图形整体形貌图。

需要说明的是，关于实施例中所列部件，其型号大小可根据需要自行替换。如图2中所展现的优选实施例，主要目的为兼容摄像头160的CMOS或C接口，物镜的RMS接口。对英制1英寸光学元件适用的调整架同时兼容公制25mm的光学元件，这两种规格是一般量产光学元件经常采用的尺寸，使得采购方便。XY电动位移台、Z轴手动位移台以及样品夹具也可根据自身需求选择合适的参数型号，实施例中给出型号是根据微米级光刻，选择具有较高性价比的设备。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型激光直写光刻机，其特征在于，包括：光纤激光器、分光镜组件、照明模块、自动聚焦模块、分别设置在所述分光镜组件上方和下方的摄像头和压电物镜、设置在所述分光镜组件和所述自动聚焦模块之间的双反射镜、以及分别与所述光纤激光器、所述自动聚焦模块和所述压电物镜通信连接的控制中心；所述分光镜组件包括由上至下依次层叠设置的第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜；

所述第一分光镜与所述光纤激光器对应设置，以将激光经所述第一分光镜分光后，其反射光束经所述第二分光镜、所述第三分光镜透射后进入所述压电物镜，并汇聚在压电物镜下方的样品表面；

所述第二分光镜与所述照明模块对应设置，以将照明光经所述第二分光镜分光后，其反射光束经第三分光镜透射后进入所述压电物镜，照射到样品上，并通过样品反射回所述压电物镜最终在所述摄像头上成像；

所述第三分光镜与所述自动聚焦模块对应设置并且所述第三分光镜和所述自动聚焦模块之间设有所述双反射镜，以将所述自动聚焦模块产生的光经所述双反射镜反射后进入所述第三分光镜分光，分光得到的反射光进入所述压电物镜，再经样品反射后沿相同光路返回至所述自动聚焦模块。

2.根据权利要求1所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述光纤激光器为单模光纤激光器，其采用的激光的波长不超过450nm。

3.根据权利要求1所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述照明模块包括LED光源以及依次设置在LED光源前方的黄色高通滤波片和聚焦透镜组件。

4.根据权利要求1-3任一项所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述小型激光直写光刻机还包括光纤准直器，所述光纤准直器设置在所述光纤激光器和所述第一分光镜之间。

5.根据权利要求4所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述小型激光直写光刻机还包括XY调节器，所述XY调节器安装在所述摄像头和所述第一分光镜之间。

6.根据权利要求5所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述小型激光直写光刻机还包括设置在所述第三分光镜和所述压电物镜之间的物镜转盘，所述压电物镜固定在所述物镜转盘上。

7.根据权利要求6所述的小型激光直写光刻机，其特征在于，所述小型激光直写光刻机还包括设置于所述压电物镜下方的样品台，所述样品台包括位移台和设置在所述位移台上的样品夹具，所述位移台与所述控制中心通信连接。