CN109774128B - 基于dmd的光刻与打印一体化设备及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于DMD的光刻与打印一体化设备及其构建方法，属于光学实验辅助结构设备领域，包括DMD空间光调制器、385nmLED光源、管透镜I、半透半反镜、管透镜II、CCD相机、45°反射镜、投影物镜、手动大行程竖直位移台、旋转平台、中空三维压电平台、样品台、打印盒、二维压电平台、转接架、Z方向位移机械杆；本发明可以实现平面光刻和三维打印双重功能，并且提供了系统的构建方法，并且系统结构搭建简单，灵活性高，降低掩模成本，缩短光刻周期，可设计性强，并且能够达到亚微米级的分辨率；提高了工作效率缩短工作周期，避免了由于光刻溶液表面张力引起的结构失真问题；在制作任意三维连续复杂微结构方面提供了新的方法。

Description

基于DMD的光刻与打印一体化设备及其构建方法

技术领域

本发明属于光学实验辅助结构设备领域，特别涉及到一种用于DMD光刻与打印设备及其构建方法。

背景技术

光刻技术是大规模集成电路制造的关键，直接决定了制造的特征尺寸。它是通过曝光的方式将掩模板上的图形转移到涂有光致抗蚀剂(或称光刻胶)的硅片上，再通过显影、定影、刻蚀等工艺将硅片表面薄膜的特定部分除去的一种图形转移技术。

近年来光刻技术在微纳光学领域中扮演着极其重要的角色。经过近50多年的发展，光刻技术相关的工艺体系己经较为成熟和完善。其发展可分为三个阶段。第一阶段为接触式曝光，它具有衍射效应小、分辨率高、可大规模批量生产、生产效率高等优点，同时由于掩模板与光刻胶直接接触，容易损坏掩模板，导致掩模板使用寿命低，基片上的图像缺陷多，良品率低等问题。第二阶段为接近式曝光，它避免了接触式曝光掩模板与光刻胶硬接触造成的损伤，但是衍射效应明显，导致分辨率不高。随着器件特征尺寸的减小，分辨率与焦深的矛盾越来越严重，为了解决这个问题，第三阶段为投影式光刻技术，使用透镜聚焦的方式，将掩模板上的信息投影到光刻胶上实现曝光，这种方式极大的提高了光刻分辨率，同时增加了掩模板的使用寿命，并且还可实现在不平整基片上获得高分辨率的图形，但也在一定程度上限制了系统的焦深。

随着半导体行业的发展，基于数字微镜阵列(Digital Micro-mirror Device,简称DMD)空间光调制器的数字无掩模光刻技术一直以其高效率、高分辨率及可大面积加工等优势占据重要地位。其光刻过程是用计算机预先设计生成一系列“虚拟”的数字图形，然后控制投影曝光设备把图形通过光学系统一幅幅地投影到待加工基片上。但现有的DMD光刻系统只能利用压电平台或机械平台在平面内两个相互垂直的方向(X、Y方向)移动，导致在光刻时只能在平面上进行直线型刻写，空间移动上限制较大，无法进行空间的三维打印。但越来越多的行业需要能够高效制作空间内旋转对称的三维结构的光刻技术。因此，设计一种可制作360度旋转、且既能实现平面内光刻，又可进行空间上三维打印的系统是现阶段研制开发DMD系统的关键内容之一。目前的基于DMD的光刻系统和打印系统均是彼此独立的，在实际操作方面存在诸多不便。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种在共用DMD投影系统的基础上，可实现平面光刻、三维打印的双重功能的装置及其构建方法。能够进行平面光刻和三维打印两种功能，且结构简单成本相对低廉，拥有较大的灵活度同时增大制作范围，并且可以在打印过程中平滑三维微结构的内部结构。

基于DMD的光刻与打印一体化设备，其特征是：包括DMD空间光调制器、 385nmLED光源、管透镜I、半透半反镜、管透镜II、CCD相机、45°反射镜、投影物镜、手动大行程竖直位移台、旋转平台、中空三维压电平台、样品台、打印盒、二维压电平台、转接架及Z方向位移机械杆；

所述DMD空间光调制器通过DMD芯片装配架设置在光学平台上；

所述385nmLED光源通过机械固定架固定在光学平台上，且385nmLED光源通过光纤连接匀光装置，匀光装置的输出端所在直线与DMD空间光调制器上的芯片的空间角为24°；

所述管透镜I与半透半反镜设置在光学平台上，且管透镜I、半透半反镜及 DMD空间光调制器在同一条直线上，其中管透镜I与DMD空间光调制器的距离为 200mm；

所述管透镜II及CCD相机均设置在光学平台上，且管透镜II及CCD相机顺次设置在半透半反镜的反射光路上；

所述45°反射镜设置在光学平台上，且45°反射镜位于管透镜I与半透半反镜所在的同一条直线上；

所述手动大行程竖直位移台设置在光学平台上，其上设置有旋转平台，旋转平台上放置有中空三维压电平台，且中空三维压电平台内部设置有投影物镜，投影物镜设置在45°反射镜竖直上方，且投影物镜的镜头垂直于45°反射镜的反射光路；

所述中空三维压电平台上设置有样品台，样品台上设置有打印盒；

所述旋转平台及中空三维压电平台上均设置有通孔，使45°反射镜、投影物镜的镜头之间没有阻拦；

所述Z方向位移机械杆设置在光学平台上，且其通过转接架与二维压电平台连接，二维压电平台位于样品台的竖直上方。

所述管透镜I与45°反射镜的距离和45°反射镜与中空三维压电平台的直线距离共260mm。

基于DMD的光刻与打印一体化设备的构建方法，用于构建上述的基于DMD 的光刻与打印一体化设备，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行

步骤一、在光学平台上安装两个等高度的光阑，分别为光阑I及光阑II，光阑I及光阑II的小孔处在一条直线上，在光学平台上安装准直激光器，使准直激光器射出的激光能穿过光阑I及光阑II的小孔。在光学平台上通过装配架安装DMD空间光调制器，使准直激光器发射的激光光束的光轴与DMD空间光调制器的平面严格垂直，且激光能照射在DMD空间光调制器芯片的中心位置，使准直激光器与DMD空间光调制器的距离大于3000mm，调整准直激光器使光斑位置误差小于1mm。

步骤二、在光阑I及光阑II之间的光学平台上设置管透镜I，使管透镜I 的中心光轴与准直激光所在光轴一致，在准直激光光路上设置半透半反镜，使半透半反镜不影响准直激光光束，在半透半反镜的分光光路上设置CCD相机，调整CCD相机使得入射到CCD相机接收面的反射光原路返回，在CCD相机与半透半反镜之间的光路上设置管透镜II，调整管透镜II使其不影响准直激光入射到CCD相机的镜头上。

步骤三、在准直激光器的激光光路上设置45°分光棱镜，调节45°分光棱镜支架保证从DMD空间光调制器平面反射的光路不受影响。在光学平台上设置手动大行程竖直位移台，在手动大行程竖直位移台上设置旋转平台，旋转平台上放置中空三维压电平台，将投影物镜放置到中空三维压电平台内部。

步骤四、调整手动大行程竖直位移台、旋转平台、中空三维压电平台及投影物镜的位置，使45°分光棱镜分光的光路可以入射到投影物镜镜头的中心位置。在投影物镜竖直上方设置平面反射镜，调节投影物镜的支架使45°分光棱镜分光的激光能原路返回，这样投影物镜与45°分光棱镜分出的光路相垂直，拆除投影物镜竖直上方设置的平面反射镜。在中空三维压电平台上方安装样品台，在样品台上放置平面反射镜，使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。在样品台上安装打印盒，在打印盒中心位置安装平面反射镜，调整打印盒位置使平面反射镜能将45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。

步骤五、在光学平台上安装Z方向位移机械杆，通过机械杆和连接架安装二维压电平台，调整位置使二维压电平台处于打印盒竖直上方，在二维压电平台底部安装平面反射镜，调整二维压电平台使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。

步骤六、用45°反射镜代替45°分光棱镜，调整45°反射镜摆放角度确保准直激光器发射的激光能打在45°反射镜直角面后原路返回。通过激光器支架在光学平台上安装385nmLED光源，调整调整385nmLED光源使385nmLED光源发射的光束能以空间角24°入射到DMD空间光调制器芯片上，并且385nm连续激光光源的激光能与准直激光器的激光光路重合。在投影物镜上放置平面反射镜，调节45°反射镜，使DMD空间光调制器反射的光线在投影物镜的中心穿过，并经过平面镜反射后的光线能沿准直激光器的激光原路返回。拆除光阑I、光阑 II及准直激光器。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：通过本发明的设计，可以实现平面光刻和三维打印双重功能，并且提供了系统的构建方法，并且系统结构搭建简单，灵活性高，降低掩模成本，缩短光刻周期，可设计性强，并且能够达到亚微米级的分辨率；提高了工作效率缩短工作周期，避免了由于光刻溶液表面张力引起的结构失真问题；在制作任意三维连续复杂微结构方面提供了新的方法。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明的光路结构框图。

图2为本发明的基片使用状态框图一。

图3为本发明的基片使用状态框图二。

图4为本发明的装配示意图。

图中：1-DMD空间光调制器、2-385nmLED光源、3-管透镜I、4-半透半反镜、 5-管透镜II、6-CCD相机、7-45°反射镜、8-投影物镜、9-手动大行程竖直位移台、10-旋转平台、11-中空三维压电平台、12-样品台、13-打印盒、14-二维压电平台、15-转接架、16-Z方向位移机械杆、17-玻璃基片。

具体实施方式

结合附图说明，对本发明进行进一步说明：本发明提出了基于DMD的光刻与打印一体化设备，其特征是：包括DMD空间光调制器1、385nmLED光源2、管透镜I3、半透半反镜4、管透镜II5、CCD相机6、45°反射镜7、投影物镜8、手动大行程竖直位移台9、旋转平台10、中空三维压电平台11、样品台12、打印盒13、二维压电平台14、转接架15及Z方向位移机械杆16；

所述DMD空间光调制器1通过DMD芯片装配架设置在光学平台上；

所述385nmLED光源2通过机械固定架固定在光学平台上，且385nmLED光源2通过光纤连接匀光装置，匀光装置的输出端所在直线与DMD空间光调制器1 上的芯片的空间角为24°；

所述管透镜I3与半透半反镜4设置在光学平台上，且管透镜I3、半透半反镜4及DMD空间光调制器1在同一条直线上，其中管透镜I3与DMD空间光调制器1的距离为200mm；

所述管透镜II5及CCD相机6均设置在光学平台上，且管透镜II5及CCD 相机6顺次设置在半透半反镜4的反射光路上；

所述45°反射镜7设置在光学平台上，且45°反射镜7位于管透镜I3与半透半反镜4所在的同一条直线上；

所述手动大行程竖直位移台9设置在光学平台上，其上设置有旋转平台10，旋转平台10上放置有中空三维压电平台11，且中空三维压电平台11内部设置有投影物镜8，投影物镜8设置在45°反射镜7竖直上方，且投影物镜(8)的镜头垂直于45°反射镜7的反射光路；

所述中空三维压电平台11上设置有样品台12，样品台12上设置有打印盒 13；

所述旋转平台10及中空三维压电平台11上均设置有通孔，使45°反射镜 7、投影物镜8及的镜头之间没有阻拦；

所述Z方向位移机械杆16设置在光学平台上，且其通过转接架15与二维压电平台14连接，二维压电平台14位于样品台12的竖直上方。

所述管透镜I3与45°反射镜7的距离和45°反射镜7与中空三维压电平台11的直线距离共260mm。

DMD空间光调制器1芯片是由1024*768个微反射镜阵列式排布组成，每个反射镜集成在互补金属氧化物半导体静态随机存储器上，单个尺寸为 13.68μm*13.68μm，并且都可由数字信号驱动电路开发板单独控制。数字信号只有“1”和“0”两种状态，当不给数字信号即不给微反射镜阵列加电压时，微反射镜处于初始状态，入射到其上的光会被反射出去；给数字信号“1”时，由于上下电极间静电力作用，驱动微镜，微反射镜镜面发生+12°的偏转，使出射光入射到投影镜头内部，在加工基片上形成一个“明像素”；给数字信号“0”时，微反射镜镜面发生-12°的偏转，出射光打到投影镜头外部，在加工基片上形成一个“暗像素”。当DMD控制器读取图形数据时，DMD芯片上对应形成由“明像素”和“暗像素”组成的阵列，由此形成掩模图形。

基于DMD空间光调制器的光刻与打印一体化设备的构建方法，用于构建上述的基于DMD空间光调制器的光刻与打印一体化设备，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行

步骤一、在光学平台上安装两个等高度的光阑，分别为光阑I及光阑II，光阑I及光阑II的小孔处在一条直线上，在光学平台上安装准直激光器，使准直激光器射出的激光能穿过光阑I及光阑II的小孔。在光学平台上通过装配架安装DMD空间光调制器1，使准直激光器发射的激光光束的光轴与DMD空间光调制器1的平面严格垂直，且激光能照射在DMD空间光调制器1芯片的中心位置，使准直激光器与DMD空间光调制器1的距离大于3000mm，调整准直激光器使光斑位置误差小于1mm。

步骤二、在光阑I及光阑II之间的光学平台上设置管透镜I3，使管透镜 I3的中心光轴与准直激光所在光轴一致，在准直激光光路上设置半透半反镜4，使半透半反镜4不影响准直激光光束，在半透半反镜4的分光光路上设置CCD 相机6，调整CCD相机6使得入射到CCD相机6接收面的反射光原路返回，在 CCD相机6与半透半反镜4之间的光路上设置管透镜II5，调整管透镜II5使其不影响准直激光入射到CCD相机6的镜头上。

步骤三、在准直激光器的激光光路上设置45°分光棱镜，调节45°分光棱镜支架保证从DMD空间光调制器1平面反射的光路不受影响。在光学平台上设置手动大行程竖直位移台9，在手动大行程竖直位移台9上设置旋转平台10，旋转平台10上放置中空三维压电平台11，将投影物镜8放置到中空三维压电平台11内部。

步骤四、调整手动大行程竖直位移台9、旋转平台10、中空三维压电平台 11及投影物镜8的位置，使45°分光棱镜分光的光路可以入射到投影物镜8镜头的中心位置。在投影物镜8竖直上方设置平面反射镜，调节投影物镜8的支架使45°分光棱镜分光的激光能原路返回，这样投影物镜8与45°分光棱镜分出的光路相垂直，拆除投影物镜8竖直上方设置的平面反射镜。在中空三维压电平台11上方安装样品台12，在样品台12上放置平面反射镜，使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。在样品台12上安装打印盒13，在打印盒13中心位置安装平面反射镜，调整打印盒13位置使平面反射镜能将45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。调节中先控制手动大行程竖直位移台9进行粗调焦，再控制中空三维压电平台11进行细条，确定焦平面位置。

步骤五、在光学平台上安装Z方向位移机械杆16，通过机械杆16和连接架 15安装二维压电平台14，调整位置使二维压电平台14处于打印盒13竖直上方，在二维压电平台14底部安装平面反射镜，调整二维压电平台14使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜。

步骤六、用45°反射镜7代替45°分光棱镜，调整45°反射镜7摆放角度确保准直激光器发射的激光能打在45°反射镜7直角面后原路返回。通过激光器支架在光学平台上安装385nmLED光源2，调整调整385nmLED光源2使 385nmLED光源2发射的光束能以空间角24°入射到DMD空间光调制器1芯片上，并且385nm连续激光光源2的激光能与准直激光器的激光光路重合。在投影物镜8上放置平面反射镜，调节45°反射镜7，使DMD空间光调制器1反射的光线在投影物镜8的中心穿过，并经过平面镜反射后的光线能沿准直激光器的激光原路返回。拆除光阑I、光阑II及准直激光器。

实际操作中二维压电平台14的负载为一个玻璃基片17和连接杆，连接杆及玻璃基片17的质量小于200g，二维压电平台14才能快速运动到位，运动时间小于20ms；下方中空三维压电平台11的负载为样品台12和打印盒13，两个负载的质量小于500g，中空三维压电平台11每走一步运动到位需要120ms。同时二维压电平台14及中空三维压电平台11通过一个特殊电子件公用一个控制器。

如图3所示进行光刻时，在样品台12上放置直径为50mm的玻璃基片17，在玻璃基片17的下表面进行曝光，也就是说基片下表面对应的即为像面。进行三维打印时，在样品台12上放置装有光敏树脂的打印盒13，在二维压电平台 14上安装连接杆将玻璃基17片放置在装有光敏树脂的打印盒13中，并伸入树脂材料中，在玻璃基片17下方曝光，但由于打印盒13底部具有一定厚度，所以需要将其向下嵌入一些。

Claims (3)

1.基于DMD的光刻与打印一体化设备，其特征是：包括DMD空间光调制器(1)、385nmLED光源(2)、管透镜I(3)、半透半反镜(4)、管透镜II(5)、CCD相机(6)、45°反射镜(7)、投影物镜(8)、手动大行程竖直位移台(9)、旋转平台(10)、中空三维压电平台(11)、样品台(12)、打印盒(13)、二维压电平台(14)、转接架(15)及Z方向位移机械杆(16)；

所述DMD空间光调制器(1)通过DMD芯片装配架设置在光学平台上；

所述385nmLED光源(2)通过机械固定架固定在光学平台上，且385nmLED光源(2)通过光纤连接匀光装置，匀光装置的输出端所在直线与DMD空间光调制器(1)上的芯片的空间角为24°；

所述管透镜I(3)与半透半反镜(4)设置在光学平台上，且管透镜I(3)、半透半反镜(4)及DMD空间光调制器(1)在同一条直线上，其中管透镜I(3)与DMD空间光调制器(1)的距离为200mm；

所述管透镜II(5)及CCD相机(6)均设置在光学平台上，且管透镜II(5)及CCD相机(6)顺次设置在半透半反镜(4)的反射光路上；

所述45°反射镜(7)设置在光学平台上，且45°反射镜(7)位于管透镜I(3)与半透半反镜(4)所在的同一条直线上；

所述手动大行程竖直位移台(9)设置在光学平台上，其上设置有旋转平台(10)，旋转平台(10)上放置有中空三维压电平台(11)，且中空三维压电平台(11)内部设置有投影物镜(8)，投影物镜(8)设置在45°反射镜(7)竖直上方，且投影物镜(8)的镜头垂直于45°反射镜(7)的反射光路；

所述中空三维压电平台(11)上设置有样品台(12)，样品台(12)上设置有打印盒(13)；

所述旋转平台(10)及中空三维压电平台(11)上均设置有通孔，使45°反射镜(7)、投影物镜(8)及的镜头之间没有阻拦；

所述Z方向位移机械杆(16)设置在光学平台上，且其通过转接架(15)与二维压电平台(14)连接，二维压电平台(14)位于样品台(12)的竖直上方。

2.根据权利要求1所述的基于DMD的光刻与打印一体化设备，其特征是：所述管透镜I(3)与45°反射镜(7)的距离和45°反射镜(7)与中空三维压电平台(11)的直线距离共260mm。

3.基于DMD的光刻与打印一体化设备的构建方法，用于构建权利要求1中的基于DMD的光刻与打印一体化设备，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行

步骤一、在光学平台上安装两个等高度的光阑，分别为光阑I及光阑II，光阑I及光阑II的小孔处在一条直线上，在光学平台上安装准直激光器，使准直激光器射出的激光能穿过光阑I及光阑II的小孔；在光学平台上通过装配架安装DMD空间光调制器(1)，使准直激光器发射的激光光束的光轴与DMD空间光调制器(1)的平面严格垂直，且激光能照射在DMD空间光调制器(1)芯片的中心位置，使准直激光器与DMD空间光调制器(1)的距离大于3000mm，调整准直激光器使光斑位置误差小于1mm；

步骤二、在光阑I及光阑II之间的光学平台上设置管透镜I(3)，使管透镜I(3)的中心光轴与准直激光所在光轴一致，在准直激光光路上设置半透半反镜(4)，使半透半反镜(4)不影响准直激光光束，在半透半反镜(4)的分光光路上设置CCD相机(6)，调整CCD相机(6)使得入射到CCD相机(6)接收面的反射光原路返回，在CCD相机(6)与半透半反镜(4)之间的光路上设置管透镜II(5)，调整管透镜II(5)使其不影响准直激光入射到CCD相机(6)的镜头上；

步骤三、在准直激光器的激光光路上设置45°分光棱镜，调节45°分光棱镜支架保证从DMD空间光调制器(1)平面反射的光路不受影响；在光学平台上设置手动大行程竖直位移台(9)，在手动大行程竖直位移台(9)上设置旋转平台(10)，旋转平台(10)上放置中空三维压电平台(11)，将投影物镜(8)放置到中空三维压电平台(11)内部；

步骤四、调整手动大行程竖直位移台(9)、旋转平台(10)、中空三维压电平台(11)及投影物镜(8)的位置，使45°分光棱镜分光的光路可以入射到投影物镜(8)镜头的中心位置；在投影物镜(8)竖直上方设置平面反射镜，调节投影物镜(8)的支架使45°分光棱镜分光的激光能原路返回，这样投影物镜(8)与45°分光棱镜分出的光路相垂直，拆除投影物镜(8)竖直上方设置的平面反射镜；在中空三维压电平台(11)上方安装样品台(12)，在样品台(12)上放置平面反射镜，使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜；在样品台(12)上安装打印盒(13)，在打印盒(13)中心位置安装平面反射镜，调整打印盒(13)位置使平面反射镜能将45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜；

步骤五、在光学平台上安装Z方向位移机械杆(16)，通过机械杆(16)和连接架(15)安装二维压电平台(14)，调整位置使二维压电平台(14)处于打印盒(13)竖直上方，在二维压电平台(14)底部安装平面反射镜，调整二维压电平台(14)使45°分光棱镜分光的激光原路返回，拆除平面反射镜；

步骤六、用45°反射镜(7)代替45°分光棱镜，调整45°反射镜(7)摆放角度确保准直激光器发射的激光能打在45°反射镜(7)直角面后原路返回；通过激光器支架在光学平台上安装385nmLED光源(2)，调整调整385nmLED光源(2)使385nmLED光源(2)发射的光束能以空间角24°入射到DMD空间光调制器(1)芯片上，并且385nm连续激光光源(2)的激光能与准直激光器的激光光路重合；在投影物镜(8)上放置平面反射镜，调节45°反射镜(7)，使DMD空间光调制器(1)反射的光线在投影物镜(8)的中心穿过，并经过平面镜反射后的光线能沿准直激光器的激光原路返回； 拆除光阑I、光阑II及准直激光器。

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