CN109557767A - 一种无掩膜投影光刻系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无掩膜投影光刻系统，包括Laser激光器、LS准直透镜组、DOE衍射光学元件、LSR激光散斑衰减器、LCOS反射式液晶空间光调制器、Tube Lens管透镜、Objective无穷远共轭显微物镜和Photoresist光刻胶版、L1透镜、L2透镜、P1偏振元件和P2偏振元件；激光依次透过LS准直透镜组、DOE衍射光学元件、L1透镜、LSR激光散斑衰减器、L2透镜、P1偏振元件、PBS偏振分光棱镜、LCOS反射式液晶空间光调制器、P2偏振元件、Tube Lens管透镜和Objective无穷远共轭显微物镜，并最终投影成像在Photoresist光刻胶版上。通过控制DOE与L1透镜、L2透镜的参数设计，使得准直光照射在LCOS上的面积等于其有效像素的面积，既能充分利用光能量，又可以有效地减少边缘衍射现象，提高投影成像的质量。

Description

一种无掩膜投影光刻系统
技术领域
本发明涉及MEMS芯片制作、掩膜版加工、DOE元件制作及衍射光变元件制作技术领域，特别涉及一种无掩膜投影光刻系统。
背景技术
由于激光具备准直性好、能量密度高等特性，加之近年来激光器的大量普及，在无掩膜光刻系统中，大部分采用激光作为照明光源。但是激光自身也有能量呈高斯分布、自身带有散斑噪声等劣势。
现有的使激光照明均匀化，并且能够兼顾衰减散斑噪声的方法，有以下几种：
(1)光学积分器-匀光管：匀光原理是光在匀光管中进行多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得照明光更加的均匀。
一般来说，匀光管的长度越长，匀光的效果越好。但是，长度并不能无限增加。一方面照明系统的结构尺寸决定了匀光管的长度不可能无限大；另一方面随着长度的增加，均匀性呈现震荡上升，到达一定程度后继续增加长度对于均匀度的提升不明显，反而降低亮度。同时，匀光管的能量利用率只能达到35％左右，效率较低。
(2)蝇眼积分器-微透镜阵列：透镜阵列被称为蝇眼积分器，通常一个透镜阵列积分器包含两个透镜阵列，搭配平行光使用。第一个透镜阵列的每一个子透镜会将光源成像到第二个透镜阵列的对应子透镜上，即产生了很多光源的虚像；第二个透镜阵列中的子透镜将光源的虚像再次成像到空间光调制器LCOS上。为了完美的搭配，每个子透镜的焦距必须相等，利用第一个透镜阵列起到分割光源的作用，而第二个透镜阵列对光源重新成像。子透镜的数量越多，光照面上的照明就越均匀。
微透镜阵列对平行光的要求非常高，当入射平行光的发散角稍微增大的时候，光斑会出现旁瓣，偏离需要照明的中心区域，从而严重影响匀光的效果。另外，由于微透镜真理制作工艺的限制，透镜阵列中子透镜的边缘是做不到无限平滑的，入射光线在这部分边缘会产生散射、衍射等现象，匀光的效果会受此影响。子透镜的数量越多，影响会越大
(3)DOE平顶元件：衍射光学元件DOE利用的是衍射原理，在元件表面制备一定深度的台阶，光束通过时产生不同的光程差，而后发生干涉从而产生平顶光斑。衍射元件实现激光束的高斯分布转为平顶分布的优点是灵活度高，最终光束的发散角、光斑形貌等等可以灵活地控制；能量利用率高，非常容易实现90％以上的效能。
DOE元件的引入，虽然能够实现激光能量的平顶分布-均匀照明，但是由于它的衍射和干涉特性，必然会引入更多的散斑噪声；另外，DOE元件在光学系统中安放的位置，有比较严格地限制；其位置若是超出一定的范围，能量平顶分布的效果会受到很大的影响，其光斑的形状也会发生改变。
(4)夹持在旋转机构上的DOE元件：在这种方法中，通过旋转衍射光学元件DOE，不仅能够起到能量平顶的效果，而且能够使由于DOE引进的散斑噪声的密度大幅度减少。
夹持在旋转机构上的DOE元件，旋转DOE元件，虽然既实现了均匀照明，又可以使噪声在整个曝光区域内实现比较均匀的“散”分布，但是其本质上并没有实现噪声的衰减。所谓噪声的“散”分布，其实质就是通过旋转DOE元件，打散了噪声集中分布在曝光区域中心的状况，使得噪声比较均匀地散落在整个曝光区域内，但是噪声并没有衰减。还需要强调的是，这个方法需要引进一个旋转机构，这一机构的运动会产生一定程度的震动，这会影响整个光学系统的曝光稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无掩膜投影光刻系统，既能实现激光能量的平顶分布，又能在不引入新的机械振动的情况下，实现激光噪声的衰减，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无掩膜投影光刻系统，包括Laser激光器、LS准直透镜组、DOE衍射光学元件、LSR激光散斑衰减器、LCOS反射式液晶空间光调制器、Tube Lens管透镜、Objective无穷远共轭显微物镜和Photoresist光刻胶版；所述Laser激光器的光束出口与LS准直透镜组的中心位于同一水平轴线上，LS准直透镜组的另一侧固定安装有DOE衍射光学元件；所述Laser激光器的发射光束经LS准直透镜组扩束后入射至DOE衍射光学元件上；所述DOE衍射光学元件的一侧配合组装有L1透镜，DOE衍射光学元件将经LS准直透镜组扩束后的入射光束通过L1透镜调制为能量平顶分布的光斑，并将光斑准确地发射至LSR激光散斑衰减器的有效工作区域；所述LSR激光散斑衰减器的一侧配合组装有L2透镜，L2透镜的同一水平轴线上安装有P1偏振元件，P1偏振元件的一侧对应设有PBS偏振分光棱镜；所述PBS偏振分光棱镜安装在LCOS反射式液晶空间光调制器上，在PBS偏振分光棱镜的上方还设置有P2偏振元件；所述P2偏振元件调整经过LCOS反射式液晶空间光调制器调制后的激光偏振态，并通过PBS偏振分光棱镜透射至Tube Lens管透镜上，TubeLens管透镜的下方配套组装有Objective无穷远共轭显微物镜，Objective无穷远共轭显微物镜的下方设置有Photoresist光刻胶版；所述LCOS反射式液晶空间光调制器调制后的激光依次透过PBS偏振分光棱镜、Tube Lens管透镜和Objective无穷远共轭显微物镜，并最终投影成像在Photoresist光刻胶版上。
优选的，所述LCOS反射式液晶空间光调制器安放在L2透镜的后焦平面上，LCOS反射式液晶空间光调制器的有效像素部分的面积与经L2透镜准直光的照射面积相等。
优选的，所述P1偏振元件调整经L2透镜的准直激光的偏振态，并由PBS偏振分光棱镜反射照射到LCOS反射式液晶空间光调制器上作为照明光源。
优选的，所述LCOS反射式液晶空间光调制器对入射的照明光源进行图形化调制，并在Photoresist光刻胶版的平面上投影为缩小的图像。
优选的，所述Tube Lens管透镜和Objective无穷远共轭显微物镜组合成无穷远共轭显微成像系统，将LCOS反射式液晶空间光调制器图形化调制后的入射光按照设计的倍率进行缩小。
优选的，所述Photoresist光刻胶版为感光材料，光刻胶与经过图形化调制后的激光，发生光化学反应，记录下缩小后的投影图像，实现无掩膜投影光刻图像的记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的无掩膜投影光刻系统，整个光学系统最大程度地保留了DOE衍射光学元件所形成的能量平顶分布的状态，LSR激光散斑衰减器处在光学系统的物方平面上，只起到衰减散斑的作用，而不会产生其他的任何影响；
2、本发明提出的无掩膜投影光刻系统，通过控制DOE衍射光学元件与L1透镜、L2透镜的参数设计，可以使得最终的准直光照射在LCOS反射式液晶空间光调制器上的面积，等于其有效像素的面积，而不会照射到LCOS反射式液晶空间光调制器的非有效部分，LCOS反射式液晶空间光调制器上非有效部分的照明，会对最终的投影成像的像质，产生不利的影响，因此，本发明既能充分利用光能量，又可以有效地减少边缘衍射现象，提供投影成像的质量。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明的工作结构示意图；
图3为本发明的LCOS反射式液晶空间光调制器工作结构示意图；
图4为现有技术结构示意图。
图中：1 Laser激光器、2 LS准直透镜组、3 DOE衍射光学元件、4 LSR激光散斑衰减器、5 LCOS反射式液晶空间光调制器、6 Tube Lens管透镜、7 Objective无穷远共轭显微物镜、8 Photoresist光刻胶版、9 L1透镜、10 L2透镜、11 P1偏振元件、12 PBS偏振分光棱镜、13 P2偏振元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，一种无掩膜投影光刻系统，包括Laser激光器1、LS准直透镜组2、DOE衍射光学元件3、LSR激光散斑衰减器4、LCOS反射式液晶空间光调制器5、Tube Lens管透镜6、Objective无穷远共轭显微物镜7和Photoresist光刻胶版8；Laser激光器1的光束出口与LS准直透镜组2的中心位于同一水平轴线上，LS准直透镜组2的另一侧固定安装有DOE衍射光学元件3；Laser激光器1的发射光束经LS准直透镜组2扩束后入射至DOE衍射光学元件3上；DOE衍射光学元件3的一侧配合组装有L1透镜9，DOE衍射光学元件3将经LS准直透镜组2扩束后的入射光束通过L1透镜9调制为能量平顶分布的光斑，并将光斑准确地发射至LSR激光散斑衰减器4的有效工作区域；LSR激光散斑衰减器4的一侧配合组装有L2透镜10，L2透镜10的同一水平轴线上安装有P1偏振元件11，P1偏振元件11的一侧对应设有PBS偏振分光棱镜12，P1偏振元件11调整经L2透镜10的准直激光的偏振态，并由PBS偏振分光棱镜12反射照射到LCOS反射式液晶空间光调制器5上作为照明光源，LCOS反射式液晶空间光调制器5对入射的照明光源进行图形化调制，并在Photoresist光刻胶版8的平面上投影为缩小的图像；PBS偏振分光棱镜12安装在LCOS反射式液晶空间光调制器5上，LCOS反射式液晶空间光调制器5安放在L2透镜10的后焦平面上，LCOS反射式液晶空间光调制器5的有效像素部分的面积与经L2透镜10准直光的照射面积相等；在PBS偏振分光棱镜12的上方还设置有P2偏振元件13；P2偏振元件13调整经过LCOS反射式液晶空间光调制器5调制后的激光偏振态，并通过PBS偏振分光棱镜12透射至Tube Lens管透镜6上，Tube Lens管透镜6的下方配套组装有Objective无穷远共轭显微物镜7，Objective无穷远共轭显微物镜7的下方设置有Photoresist光刻胶版8；LCOS反射式液晶空间光调制器5调制后的激光依次透过PBS偏振分光棱镜12、Tube Lens管透镜6和Objective无穷远共轭显微物镜7，并最终投影成像在Photoresist光刻胶版8上，Tube Lens管透镜6和Objective无穷远共轭显微物镜7组合成无穷远共轭显微成像系统，将LCOS反射式液晶空间光调制器5图形化调制后的入射光按照设计的倍率进行缩小，Photoresist光刻胶版8为感光材料，光刻胶与经过图形化调制后的激光，发生光化学反应，记录下缩小后的投影图像，实现无掩膜投影光刻图像的记录。
工作原理，本发明提出的无掩膜投影光刻系统，由Laser激光器1发射细激光光束，细激光光束通过LS准直透镜组2扩束成为准直光，达到系统所设计的直径，如DOE衍射光学元件3配合L1透镜9，将入射的准直激光束调制为能量平顶分布的光斑，并使这一光斑准确地处在LSR激光散斑衰减器4的有效工作区域，LSR激光散斑衰减器4发出的发散光通过L2透镜10准直为平行光出射，其LSR激光散斑衰减器4与L2透镜10的配合，使得准直光的照射面积与LCOS反射式液晶空间光调制器5的有效像素部分的面积相等，通过准确调整透镜L2与LCOS的距离，LCOS反射式液晶空间光调制器5应该严格地安放在L2透镜10的后焦平面上，再通过P1偏振元件11调整准直激光的偏振态，使其能够被PBS偏振分光棱镜12反射，照射到LCOS反射式液晶空间光调制器5上，形成照明光源，LCOS反射式液晶空间光调制器5将入射的照明光源进行图形化调制，再由P2偏振元件13调整激光的偏振态，使其能够被PBS偏振分光棱镜12透射，到达Tube Lens管透镜6和Objective无穷远共轭显微物镜7，二者组合成无穷远共轭显微成像系统，将LCOS反射式液晶空间光调制器5图形化调制后的入射光按照设计的倍率(如：20倍)缩小，并最终投影成像在光刻胶版Photoresist平面上，Photoresist光刻胶版8为感光材料，光刻胶与经过图形化调制后的激光，发生光化学反应，记录下缩小后的投影图像，实现无掩膜投影光刻图像的记录。
综上所述，本发明提出的无掩膜投影光刻系统，由于同时引入了DOE衍射光学元件3和LSR激光散斑衰减器4，其所设计系统与传统的激光投影光刻系统的不同之处在于：它是面光源照明地投影成像系统，而且，面光源的尺寸与最终的投影图像的尺寸严格一致，即：DOE衍射光学元件3通过L1透镜9在LSR激光散斑衰减器4的工作平面上形成的光斑，与Photoresist光刻胶版8平面上的投影图是1∶1的共轭关系，严格的1∶1的共轭关系，使得投影图像(在光刻胶版上的曝光光斑)的能量分布是非常均匀的；整个光学系统最大程度地保留了DOE衍射光学元件3所形成的能量平顶分布的状态，LSR激光散斑衰减器4处在光学系统的物方平面上，只起到衰减散斑的作用，而不会产生其他的任何影响；另外，通过控制DOE衍射光学元件3与L1透镜9、L2透镜10的参数设计，可以使得最终的准直光照射在LCOS反射式液晶空间光调制器5上的面积，等于其有效像素的面积，而不会照射到LCOS反射式液晶空间光调制器5的非有效部分，LCOS反射式液晶空间光调制器5上非有效部分的照明，会对最终的投影成像的像质，产生不利的影响，因此，本发明既能充分利用光能量，又可以有效地减少边缘衍射现象，提供投影成像的质量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，包括Laser激光器(1)、LS准直透镜组(2)、DOE衍射光学元件(3)、LSR激光散斑衰减器(4)、LCOS反射式液晶空间光调制器(5)、TubeLens管透镜(6)、Objective无穷远共轭显微物镜(7)和Photoresist光刻胶版(8)；所述Laser激光器(1)的光束出口与LS准直透镜组(2)的中心位于同一水平轴线上，LS准直透镜组(2)的另一侧固定安装有DOE衍射光学元件(3)；所述Laser激光器(1)的发射光束经LS准直透镜组(2)扩束后入射至DOE衍射光学元件(3)上；所述DOE衍射光学元件(3)的一侧配合组装有L1透镜(9)，DOE衍射光学元件(3)将经LS准直透镜组(2)扩束后的入射光束通过L1透镜(9)调制为能量平顶分布的光斑，并将光斑准确地发射至LSR激光散斑衰减器(4)的有效工作区域；所述LSR激光散斑衰减器(4)的一侧配合组装有L2透镜(10)，L2透镜(10)的同一水平轴线上安装有P1偏振元件(11)，P1偏振元件(11)的一侧对应设有PBS偏振分光棱镜(12)；所述PBS偏振分光棱镜(12)安装在LCOS反射式液晶空间光调制器(5)上，在PBS偏振分光棱镜(12)的上方还设置有P2偏振元件(13)；所述P2偏振元件(13)调整经过LCOS反射式液晶空间光调制器(5)调制后的激光偏振态，并通过PBS偏振分光棱镜(12)透射至Tube Lens管透镜(6)上，Tube Lens管透镜(6)的下方配套组装有Objective无穷远共轭显微物镜(7)，Objective无穷远共轭显微物镜(7)的下方设置有Photoresist光刻胶版(8)；所述LCOS反射式液晶空间光调制器(5)调制后的激光依次透过PBS偏振分光棱镜(12)、Tube Lens管透镜(6)和Objective无穷远共轭显微物镜(7)，并最终投影成像在Photoresist光刻胶版(8)上。
2.如权利要求1所述的一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，所述LCOS反射式液晶空间光调制器(5)安放在L2透镜(10)的后焦平面上，LCOS反射式液晶空间光调制器(5)的有效像素部分的面积与经L2透镜(10)准直光的照射面积相等。
3.如权利要求1所述的一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，所述P1偏振元件(11)调整经L2透镜(10)的准直激光的偏振态，并由PBS偏振分光棱镜(12)反射照射到LCOS反射式液晶空间光调制器(5)上作为照明光源。
4.如权利要求3所述的一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，所述LCOS反射式液晶空间光调制器(5)对入射的照明光源进行图形化调制，并在Photoresist光刻胶版(8)的平面上投影为缩小的图像。
5.如权利要求4所述的一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，所述Tube Lens管透镜(6)和Objective无穷远共轭显微物镜(7)组合成无穷远共轭显微成像系统，将LCOS反射式液晶空间光调制器(5)图形化调制后的入射光按照设计的倍率进行缩小。
6.如权利要求1所述的一种无掩膜投影光刻系统，其特征在于，所述Photoresist光刻胶版(8)为感光材料，光刻胶与经过图形化调制后的激光，发生光化学反应，记录下缩小后的投影图像，实现无掩膜投影光刻图像的记录。
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