CN109031899A - 一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，包括数字微镜阵列DMD、远心成像系统、微透镜阵列和分光光路装置，数字微镜阵列DMD通过远心成像系统成像于微透镜阵列，微透镜阵列聚焦成像为更小尺寸的光斑阵列，光斑阵列通过第二次远心成像系统并经过分光光路装置成像于光刻板，形成高分辨率的光斑图像，分光光路装置可以将整个视场沿着X轴方向扩展，增加曝光范围，有效的增加了曝光效率。

Description

一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法
技术领域：
本发明属于光源直投式曝光机的技术领域，具体为一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法。
背景技术：
光源直投式光刻机设备又称影像直接投射设备，可应用于半导体和PCB以及平面成像领域的研发、生产。DLP投影成像系统是直投式设备的核心器件之一。DLP投影成像系统是利用计算机控制数字微镜阵列生成图形，图形经过投影镜头投射到光刻板上。DLP投影成像系统的分辨率和效率受限于数字微镜阵列即DMD的像素空间分布和成像系统的倍率。为了进一步提升直投式曝光机的分辨率和效率，高分辨率高效率的DLP投影成像技术的分辨率和效率又有较大的提升。高分辨率高效率的DLP投影成像系统是在传统曝光机的像面上放置微透镜阵列聚焦，聚焦的斑点再经过远心成像系统，在远心成像系统后面加入分光光路装置，像面尺寸有效的分为两份。微透镜阵列缩小DMD像素尺寸，有效的提升系统的分辨率，分光光路装置增加曝光视场，提高曝光效率。
发明内容：
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法。
本发明的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，包括依次设置的照明光路、数字微镜阵列DMD、第一远心镜头、微透镜阵列、第二远心镜头和分光光路装置，所述照明光路通过棱镜入射于数字微镜阵列DMD，照明光路于数字微镜阵列DMD中入射光线与出射光线成24°角且出射光线方向垂直于数字微镜阵列DMD表面，所述照明光路成像于数字微镜阵列DMD的表面，所述数字微镜阵列DMD表面的照明像面通过第一远心镜头形成成像面光斑，所述成像面光斑通过微透镜阵列聚焦成像为光斑阵列，所述分光光路装置的三角棱柱中心位置设置在第二远心镜头出射光斑的正中心，所述光斑阵列通过第二远心镜头后经过分光光路装置成像于成像面。
优选的，所述照明光路通过TIR棱镜入射于数字微镜阵列DMD。
优选的，所述微透镜阵列的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD单个像素点的成像尺寸。
优选的，所述微透镜阵列的单个透镜的中心位于数字微镜阵列DMD单个像素点的中心位置。
本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统的曝光方法，包括以下步骤：
（1）照明光路通过TIR棱镜照入数字微镜阵列DMD，数字微镜阵列DMD通过计算机软件生成图形；
（2）数字微镜阵列DMD生成的图形通过第一远心镜头成像于微透镜阵列的表面，第一远心镜头的放大倍率是α；
（3）成像于第一远心镜头的光斑通过微透镜阵列聚焦成像为更小尺寸的光斑阵列，将微透镜阵列的单个透镜的直径设置为等于数字微镜阵列DMD像素尺寸乘以α，微透镜阵列的单个透镜的中心设置于数字微镜阵列DMD单个像素点的中心位置，调节光斑的尺寸和发散角，光斑阵列的直径最小调至φμm，光斑阵列的发散角调至θ；
（4）光斑阵列通过第二远心镜头，第二远心镜头的放大倍率是β，调节第二远心镜头的数值孔径，使光斑阵列清晰成像，直径φμm的光斑阵列经过β倍远心镜头放大，放大后的光斑阵列尺寸为(β*φ)μm；
（5）光斑阵列通过第二远心镜头后，再通过分光光路装置，分光光路装置将光斑阵列一分为二，分成的两个光斑阵列分别沿着x方向和y方向分别平移，当成像面沿着y轴运动的时候，曝光区域形成一整幅曝光图案。
优选的，所述远心镜头的数值孔径为NAⅠ，照明光路的数值孔径NA照明，NA照明≤NAⅠ。
优选的，所述聚焦光斑的发散角为θ，第二远心镜头的数值孔径为NAⅡ，sinθ≤NAⅡ。
本发明的有益效果：本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，数字微镜阵列DMD通过远心成像系统成像于微透镜阵列，通过微透镜阵列聚焦为更小尺寸的光斑阵列，光斑阵列通过第二次远心镜头放大，可形成高分辨率的光斑图像，分光光路装置可以将整个视场沿着x轴方向扩展，增加曝光范围，有效的增加了曝光效率。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明的实施例1整体结构示意图；
图2为本发明的工作原理示意图；
图3为本发明的曝光成像示意图；
图4为本发明的实施例2整体结构示意图；
图5为本发明的实施例3整体结构示意图。
图中：1-照明光路；2-数字微镜阵列DMD；3-第一远心镜头；4-微透镜阵列；5a-第二远心镜头；5b-第三远心镜头；6a-分光光路装置；7-成像面。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1：如图1-3所示，本发明的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，包括依次设置的照明光路1、数字微镜阵列DMD2、第一远心镜头3、微透镜阵列4、第二远心镜头5a和分光光路装置6a，照明光路1通过TIR棱镜调节入射于数字微镜阵列DMD2的角度，照明光路1于数字微镜阵列DMD2中的入射光线与出射光线成24°角，出射光线方向垂直于数字微镜阵列DMD2表面，照明光路1成像于数字微镜阵列DMD2的表面，数字微镜阵列DMD2表面的照明像面作为第一远心镜头3的物面，数字微镜阵列DMD2表面的照明像面通过第一远心镜头3形成成像面光斑，所述成像面光斑通过微透镜阵列4聚焦成像为光斑阵列，微透镜阵列4的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD2单个像素点的成像尺寸，微透镜阵列4的单个透镜的中心位于数字微镜阵列DMD2单个像素点的中心位置，第一远心镜头3的数值孔径为NAⅠ，照明光路1的数值孔径NA照明，NA照明≤NAⅠ，第一远心镜头3的成像面光斑通过微透镜阵列4聚焦为直径φμm的光斑，光斑的发散角为θ，微透镜阵列4的聚焦光斑作为第二远心镜头5a的物面，第二远心镜头5a的数值孔径NAⅡ，sinθ≤NAⅡ，分光光路装置6a的三角棱柱中心位置在第二远心镜头5a出射光斑的正中心，光斑通过第二远心镜头5a和分光光路装置6a成像于成像面7。
本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，包括以下步骤：
（1）照明光路1照入数字微镜阵列DMD2，数字微镜阵列DMD2通过计算机软件生成图形。
（2）数字微镜阵列DMD2生成的图形通过第一远心镜头3，第一远心镜头3的放大倍率是α，第一次成像于微透镜阵列4。
（3）微透镜阵列4的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD2像素尺寸乘以α，单个透镜的焦距和通光口径的参数用于调节聚焦光斑的尺寸和聚焦光斑的发散角，聚焦光斑的尺寸最小可调至φμm，聚焦光斑的发散角可调至θ。
（4）聚焦光斑通过第二远心镜头5a，第二远心镜头5a的放大倍率是β，聚焦光斑的发散角限制第二远心镜头5a的数值孔径，调节第二远心镜头5a的数值孔径，聚焦光斑可以清晰成像，φμm的光斑经过β倍远心镜头放大，光斑尺寸为(β*φ)μm。
（5）聚焦光斑通过第二远心镜头5a后，再通过分光光路装置6a，分光光路装置6a可将光斑一分为二，这两个光斑分别沿着x方向和y方向分别平移。当成像面7沿着y轴运动的时候，曝光区域A和B形成一整幅曝光图案。
实施例1是在传统的曝光机光路上面增加了两套光路，一套就是微透镜阵列加远心成像光路，用于提高传统曝光机的分辨率，另外一种是分光光路装置，用于增加曝光效率。传统的曝光机成像分辨率为数字微镜阵列DMD像素尺寸D0乘以远心镜头α倍，即α*D0，传统曝光机受限于数字微镜阵列DMD像素尺寸，本发明的最小分辨尺寸(β*φ)μm，φ是通过聚焦数字微镜阵列DMD像素尺寸，本发明的分辨率远大于传统曝光机的分辨率。本发明通过分光光路装置增加X轴曝光长度，曝光区域比传统的曝光区域增大一倍，有效的提高曝光效率。
实施例2：如图2-4所示，本发明的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，包括依次设置的照明光路1、数字微镜阵列DMD2、第一远心镜头3、微透镜阵列4、分光光路装置6a和第三远心镜头5b，照明光路1通过TIR棱镜调节入射于数字微镜阵列DMD2的角度，照明光路1于数字微镜阵列DMD2中入射光线与出射光线成24°角，出射光线方向垂直于数字微镜阵列DMD2表面，照明光路1成像于数字微镜阵列DMD2的表面，数字微镜阵列DMD2表面的照明像面作为第一远心镜头3的物面，数字微镜阵列DMD2表面的照明像面通过第一远心镜头3形成成像面光斑，所述成像面光斑通过微透镜阵列4聚焦成像为光斑阵列，微透镜阵列4的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD2单个像素点的成像尺寸，微透镜阵列4的单个透镜的中心位于数字微镜阵列DMD2单个像素点的中心位置。第一远心镜头3的数值孔径为NAⅠ，NA照明≤NAⅠ。第一远心镜头3的成像面光斑通过微透镜阵列4聚焦为直径φμm的光斑，聚焦光斑的发散角为θ，微透镜的聚焦光斑作为第三远心镜头5b的物面，第三远心镜头5b的数值孔径NAⅢ，sinθ≤NAⅢ，分光光路装置6a的三角棱柱中心位置在微透镜聚焦光斑阵列的正中心，聚焦光斑通过分光光路装置6a和第三远心镜头5b成像于成像面7。
本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，包括以下步骤：
（1）照明光路1照入数字微镜阵列DMD2，数字微镜阵列DMD2通过计算机软件生成图形。
（2）数字微镜阵列DMD2生成的图形通过第一远心镜头3，第一远心镜头3的放大倍率是α，第一次成像于微透镜阵列4。
（3）微透镜阵列4的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD2像素尺寸乘以α，单个透镜的焦距和通光口径的参数用于调节聚焦光斑的尺寸和聚焦光斑的发散角，聚焦光斑的尺寸最小可调至φμm，聚焦光斑的发散角可调至θ。
（4）聚焦光斑通过分光光路装置6a，分光光路装置6a可将光斑一分为二，这两个光斑分别沿着x方向和y方向分别平移。
（5）聚焦光斑通过分光光路装置6a后，再通过第三远心镜头5b，第三远心镜头5b的放大倍率是γ，聚焦光斑的发散角限制第三远心镜头5b的数值孔径，调节第三远心镜头5b的数值孔径，聚焦光斑可以清晰成像，φμm的光斑经过γ倍远心镜头放大，光斑尺寸为(γ*φ)μm。
实施例2与实施例1相似，实施例2也是在传统的曝光机光路上面增加了两套光路，实施例2是在微透镜之后增加分光光路装置，分光后再增加远心成像系统。传统的曝光机成像分辨率为数字微镜阵列DMD像素尺寸D0乘以远心镜头α倍，即α*D0，传统曝光机受限于数字微镜阵列DMD像素尺寸，本发明的最小分辨尺寸(γ*φ)μm，φ是通过聚焦数字微镜阵列DMD像素尺寸，本发明的分辨率远大于传统曝光机的分辨率。本发明是通过分光光路装置增加X轴曝光长度，曝光区域比传统的曝光区域增大一倍，有效的提高曝光效率。
实施例3：如图2、3、5所示，本发明的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，包括依次设置的照明光路1、数字微镜阵列DMD2、第一远心镜头3、微透镜阵列4和分光光路装置6a，照明光路1通过TIR棱镜调节入射于数字微镜阵列DMD2的角度，照明光路1与数字微镜阵列DMD2中的入射光线与出射光线成24°角，出射光线方向垂直于数字微镜阵列DMD2表面，照明光路1成像于数字微镜阵列DMD2的表面，数字微镜阵列DMD2表面的照明像面作为第一远心镜头3的物面，通过第一远心镜头3和分光光路装置6a成像于成像面7，分光光路装置6a的三角棱柱中心位置在第一远心镜头3出射光斑的正中心。
本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，包括以下步骤：
（1）照明光路1照入数字微镜阵列DMD2，数字微镜阵列DMD2通过计算机软件生成图形。
（2）数字微镜阵列DMD2生成的图形通过第一远心镜头3，第一远心镜头3的放大倍率是α。
（3）聚焦光斑通过第一远心镜头3后，再通过分光光路装置6a，分光光路装置6a可将光斑一分为二，这两个光斑分别沿着x方向和y方向分别平移。当成像面沿着y轴运动的时候，曝光区域A和B形成一整幅曝光图案。
实施例3是在传统的曝光机光路上面增加了一套分光光路装置，用于增加曝光效率。本发明是通过分光光路装置增加X轴曝光长度，本发明的曝光区域比传统的曝光区域增大一倍，有效的提高曝光效率。
本发明的一种高分辨率高效率投影光刻成像系统及曝光方法，包括数字微镜阵列DMD、远心成像系统、微透镜阵列和分光光路装置，数字微镜阵列DMD通过远心成像系统成像于微透镜阵列，微透镜阵列聚焦成像为更小尺寸的光斑阵列，光斑阵列通过第二次远心成像系统并经过分光光路装置成像于光刻板，形成高分辨率的光斑图像，分光光路装置可以将整个视场沿着x轴方向扩展，增加曝光范围，有效的增加了曝光效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，其特征在于：包括依次设置的照明光路、数字微镜阵列DMD、第一远心镜头、微透镜阵列、第二远心镜头和分光光路装置，所述照明光路通过棱镜入射于数字微镜阵列DMD，照明光路于数字微镜阵列DMD中入射光线与出射光线成24°角且出射光线方向垂直于数字微镜阵列DMD表面，所述照明光路成像于数字微镜阵列DMD的表面，所述数字微镜阵列DMD表面的照明像面通过第一远心镜头形成成像面光斑，所述成像面光斑通过微透镜阵列聚焦成像为光斑阵列，所述分光光路装置的三角棱柱中心位置设置在第二远心镜头出射光斑的正中心，所述光斑阵列通过第二远心镜头后经过分光光路装置成像于成像面。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，其特征在于：所述照明光路通过TIR棱镜入射于数字微镜阵列DMD。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，其特征在于：所述微透镜阵列的单个透镜的直径等于数字微镜阵列DMD单个像素点的成像尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统，其特征在于：所述微透镜阵列的单个透镜的中心位于数字微镜阵列DMD单个像素点的中心位置。
5.一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统的曝光方法，其特征在于：包括以下步骤：
照明光路通过棱镜照入数字微镜阵列DMD，数字微镜阵列DMD通过计算机软件生成图形；
数字微镜阵列DMD生成的图形通过第一远心镜头成像于微透镜阵列的表面，第一远心镜头的放大倍率是α；
成像于第一远心镜头的光斑通过微透镜阵列聚焦成像为更小尺寸的光斑阵列，将微透镜阵列的单个透镜的直径设置为等于数字微镜阵列DMD像素尺寸乘以α，微透镜阵列的单个透镜的中心设置于数字微镜阵列DMD单个像素点的中心位置，调节光斑的尺寸和发散角，光斑阵列的直径最小调至φμm，光斑阵列的发散角调至θ；
光斑阵列通过第二远心镜头，第二远心镜头的放大倍率是β，调节第二远心镜头的数值孔径，使光斑阵列清晰成像，直径φμm的光斑阵列经过β倍远心镜头放大，放大后的光斑阵列尺寸为(β*φ)μm；（5）光斑阵列通过第二远心镜头后，再通过分光光路装置，分光光路装置将光斑阵列一分为二，分成的两个光斑阵列分别沿着x方向和y方向分别平移，当成像面沿着y轴运动的时候，曝光区域形成一整幅曝光图案。
6.根据权利要求5所述的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统的曝光方法，其特征在于：所述远心镜头的数值孔径为NAⅠ，照明光路的数值孔径NA照明，NA照明≤NAⅠ。
7.根据权利要求5所述的一种高分辨率高效率的投影光刻成像系统的曝光方法，其特征在于：所述聚焦光斑的发散角为θ，第二远心镜头的数值孔径为NAⅡ，sinθ≤NAⅡ。
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