CN112799286B - 三维微纳结构光刻系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种三维微纳结构光刻系统，包括数字掩模装置、空间光调制器、投影物镜和旋转工作台，数字掩模装置与空间光调制器电性连接，投影物镜设置于空间光调制器与旋转工作台之间，旋转工作台用于固定待光刻的基片；数字掩模装置用以生成数字掩模，数字掩模包括图形曝光区，数字掩模装置将数字掩模上传至空间光调制器，空间光调制器用以显示数字掩模，空间光调制器发出的光经过图形曝光区后射向投影物镜，图形曝光区的高度与曝光剂量呈正比；投影物镜将图形光投影在基片上，旋转工作台驱使基片转动曝光。本发明的三维微纳结构光刻系统，结构简单、精度高、成本低、快速高效。本发明还涉及一种三维微纳结构光刻方法。

Description

三维微纳结构光刻系统及其方法
技术领域
本发明涉及微纳结构光刻技术领域，特别涉及一种三维微纳结构光刻系统及其方法。
背景技术
三维微纳结构的加工技术属于微纳制造领域中比较常见，同时又具备一定技术门槛的技术领域，目前常用的三维微结构加工技术包括：掩模套刻曝光、电子束曝光、激光直写光刻、金刚石刀具精密加工等。其中，掩模套刻技术面临套刻精度和掩模板昂贵等问题，且工艺流程复杂；电子束或激光束直写技术属于逐点加工技术，加工效率低且成本高，不利于批量加工；金刚石刀具精密加工技术的加工精度和形状受制于金刚石刀头，难以加工出高精度和高深宽比的微纳结构。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种三维微纳结构光刻系统，结构简单、精度高、成本低、快速高效。
一种三维微纳结构光刻系统，包括数字掩模装置、空间光调制器、投影物镜和旋转工作台，其中：
数字掩模装置与空间光调制器电性连接，投影物镜设置于空间光调制器与旋转工作台之间，旋转工作台用于固定待光刻的基片；
数字掩模装置用以生成数字掩模，数字掩模包括图形曝光区，数字掩模装置将数字掩模上传至空间光调制器，空间光调制器用以显示数字掩模，光经过空间光调制器上的图形曝光区后射向投影物镜，图形曝光区的高度与曝光剂量呈正比；
投影物镜将图形光投影在基片上，旋转工作台驱使基片转动曝光。
在本发明的实施例中，上述三维微纳结构光刻系统还包括控制系统，所述控制系统与所述投影物镜、所述旋转工作台电性连接，所述控制系统用以调节控制所述旋转工作台的转速。
在本发明的实施例中，上述三维微纳结构光刻系统还包括光源，所述光源用以为所述空间光调制器提供光，所述光源与所述控制系统电性连接，所述控制系统用以调节控制所述光源的光强。
在本发明的实施例中，上述三维微纳结构光刻系统还包括准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源的出光方向上，所述光源发出的光线经过所述准直透镜后射向所述空间光调制器。
本发明还提供一种三维微纳结构光刻方法，所述方法包括:
提供数字掩模装置，利用所述数字掩模装置生成数字掩模，所述数字掩模包括图形曝光区；
提供空间光调制器，将所述数字掩模上次至所述空间光调制器，利用所述空间光调制器显示所述数字掩模时，光线从所述图形曝光区射出，通过调节所述图形曝光区的长度，实现调节曝光剂量，所述图形曝光区的长度与曝光剂量成正比；
提供投影物镜，利用所述投影物镜将图形光投影在待光刻的基片上；
提供旋转工作台，利用所述旋转工作台承载固定所述基片，所述旋转工作台驱使所述基片转动曝光。
在本发明的实施例中，提供控制系统，利用所述控制系统调节控制所述旋转工作台的转速，通过调节所述工作台的转速，调节曝光剂量，所述工作台的转速与曝光剂量成反比。
在本发明的实施例中，提供光源，利用所述光源为所述空间光调制器提供光，利用所述控制系统调节控制所述光源的光强，通过调节所述光源的光强，调节曝光剂量，所述光源的光强与曝光剂量成正比。
在本发明的实施例中，提供准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源的出光方向上，利用所述准直透镜准准直光线。
在本发明的实施例中，将所述基片固定在所述旋转工作台前，在所述基片表面涂覆光刻胶，并对所述基片进行烘烤，温度85～110℃，时间1～60min。
在本发明的实施例中，利用碱性显影液对曝光后的所述基片进行显影，显影液浓度为0.6％～1％，显影液温度为20～24℃，显影时间为30～150s；
对显影后的所述基片进行冲洗、吹干，使所述基片表面形成三维微纳结构。
本发明的三维微纳结构光刻系统与金刚石车床加工相比，分辨率高出1-2个数量级，光刻分辨率可达到0.1um。而且，本发明的三维微纳结构光刻系统与掩模套准光刻、灰度掩模曝光相比，本系统光刻出的三维结构更加光滑，且效率更高、成本更低。
附图说明
图1是本发明第一实施例的三维微纳结构光刻系统的示意图。
图2是三维微纳结构光刻系统光刻形成的三维微纳结构的局部示意图。
图3是本发明第二实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图。
图4是本发明第二实施例的三维微纳结构光刻系统光刻形成的三维微纳结构的平面示意图。
图5是图4所示的三维微纳结构的剖视示意图。
图6是本发明第三实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图。
图7是本发明第四实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图。
图8是本发明第五实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图。
图9是本发明第六实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图。
具体实施方式
第一实施例
图1是本发明第一实施例的三维微纳结构光刻系统的示意图，图2是三维微纳结构光刻系统光刻形成的三维微纳结构的局部示意图，如图1和图2所示，三维微纳结构光刻系统包括数字掩模装置11、空间光调制器12、投影物镜13和旋转工作台14，其中：
数字掩模装置11与空间光调制器12电性连接，投影物镜13设置于空间光调制器12与旋转工作台14之间，旋转工作台14用于固定待光刻的基片21；
数字掩模装置11用以生成数字掩模101，数字掩模101包括图形曝光区101a，数字掩模装置11将数字掩模101上传至空间光调制器12，空间光调制器12用以显示数字掩模101，光经过空间光调制器12上的图形曝光区101a后射向投影物镜13，图形曝光区101a的高度h与曝光剂量呈正比；
投影物镜13将图形光投影在基片21上，旋转工作台14驱使基片21转动曝光。在本实施例中，旋转工作台14可采用真空吸附的方式固定基片21，但并不以此为限。
值得一提的是，投影物镜13首先将图形光投影在基片21的中心区域，且图形光的边缘与基片21的中心重合，当旋转工作台14驱使基片21转动一周后停止转动，此时空间光调制器12停止曝光；
接着投影物镜13沿径向向外移动一个周期的距离，此时旋转工作台14驱使基片21再次转动一周，同时空间光调制器12继续曝光，依次类推，直到完成整个幅面的扫描曝光；
之后利用碱性显影液(例如TMAH、KOH、NaOH)对曝光后的基片21进行显影，显影液浓度为0.6％～1％，显影液温度为20～24℃，显影时间为30～150s；
最后对显影后的基片21进行冲洗、吹干，使基片21表面形成三维微纳结构211，且所述三维微纳结构211呈圆环形对称形状。
为了进一步控制曝光深度和曝光均匀性，旋转工作台14驱使基片21转动两周或两周以上，保持投影物镜13不移动位置，此时空间光调制器12可持续曝光，当旋转工作台14停止转动时，空间光调制器12停止曝光。
进一步地，将基片21固定在旋转工作台14前，在基片21表面涂覆光刻胶22，并基片21进行烘烤，烘烤温度85～110℃，时间1～60min。在本实施例中，光刻胶22的厚度为30um，但并不以此为限，可选用正性光刻胶22或负性光刻胶22。
进一步地，数字掩模装置11包括移动终端、电脑、ipad等，通过软件编程在数字掩模装置11上生成数字掩模101，数字掩模101的格式为Bmp位图，数字掩模101的图形曝光区101a形状可根据需要自由选择，本实施例以图形曝光区101a为直角三角形为例进行说明，如图1和图2所示，图形曝光区101a具有三个顶角，分别为第一顶角A、第二顶角B和第三顶角C，其中第二顶角B为直角，第一顶角A处的曝光剂量最弱，第二顶角B处的曝光剂量最强，从第一顶角A到第三顶角C的方向，图形曝光区101a的高度h逐渐增大，曝光剂量逐渐增大，对应基片21表面的三维微纳结构211的深度越大，如图2所示。值得一提的是，通过设计和调整图形曝光区101aBC边长的长度(图形曝光区101a的高度h)，进而控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211，例如菲涅尔透镜、半球形微透镜、同心环反光膜等。在本实施例中，图形曝光区101a的高度h方向平行于空间光调制器12的宽度方向或长度方向。
进一步地，数字掩模101还包括非透光区101b，非透光区101b设置于图形曝光区101a的周侧，非透光区101b呈黑色，当空间光调制器12的显示屏整屏显示数字掩模101时，非透光区101b不透光，图形曝光区101a透光,如图1所示。
进一步地，三维微纳结构光刻系统还包括控制系统15，控制系统15与投影物镜13、旋转工作台14电性连接，控制系统15用以调节控制旋转工作台14的转速。在本实施例中，控制系统15通过控制旋转工作台14的转速，实现控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211。
进一步地，三维微纳结构光刻系统还包括光源16，光源16用以为空间光调制器12提供光，光源16与控制系统15电性连接，控制系统15用以调节控制光源16的光强。在本实施例中，控制系统15能调节控制光源16的光强，实现控制控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211。光源16例如为汞灯、LED、激光或者其他可以对光刻胶22进行感光的发光器件。
进一步地，三维微纳结构光刻系统还包括准直透镜17，准直透镜17设置于光源16的出光方向上，光源16发出的光线经过准直透镜17后射向空间光调制器12。
进一步地，本发明的三维微纳结构光刻系统可以通过调整光强、控制旋转工作台14速度、图形曝光区101a的高度h等参量来控制曝光剂量。
进一步地，空间光调制器12为DMD、LCD或者LCOS等微型显示器件。
进一步地，投影物镜13微缩倍率范围采用5X～100X。
进一步地，旋转工作台14的高精度可支持1inch～12inch幅面的光刻。
本发明的三维微纳结构光刻系统的结构简单、精度高、成本低、快速高效等优点。本发明的三维微纳结构光刻系统与金刚石车床加工相比，分辨率高出1-2个数量级，光刻分辨率可达到0.1um。而且，本发明的三维微纳结构光刻系统与掩模套准光刻、灰度掩模曝光相比，本系统光刻出的三维结构更加光滑，且效率更高、成本更低。
第二实施例
图3是本发明第二实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图，图4是本发明第二实施例的三维微纳结构光刻系统光刻形成的三维微纳结构的平面示意图，图5是图4所示的三维微纳结构的剖视示意图，如图3、图4和图5所示，本实施例的三维微纳结构光刻系统与第一实施例的三维微纳结构光刻系统结构大致相同，不同点在于数字掩模装置11生成的数字掩模101形状不同。
具体地，数字掩模101的图形曝光区101a为多个等腰三角形，图形曝光区101a的顶角的处曝光剂量最强，因此曝光后对应基片21上的三维微纳结构211深度最深，图形曝光区101a的其他两个角的处曝光剂量最弱，因此曝光后对应基片21上的三维微纳结构211深度最浅。
第三实施例
图6是本发明第三实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图，如图6所示，本实施例的三维微纳结构光刻系统与第一实施例的三维微纳结构光刻系统结构大致相同，不同点在于数字掩模装置11生成的数字掩模101形状不同。
具体地，数字掩模101的图形曝光区101a为多个高度h逐渐减小的直角三角形。
第四实施例
图7是本发明第四实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图，如图7所示，本实施例的三维微纳结构光刻系统与第一实施例的三维微纳结构光刻系统结构大致相同，不同点在于数字掩模装置11生成的数字掩模101形状不同。
具体地，数字掩模101的图形曝光区101a为多个高度h相同，面积不同的直角三角形。
第五实施例
图8是本发明第五实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图，如图8所示，本实施例的三维微纳结构光刻系统与第一实施例的三维微纳结构光刻系统结构大致相同，不同点在于数字掩模装置11生成的数字掩模101形状不同。
具体地，数字掩模101的图形曝光区101a为阶梯型。
第六实施例
图9是本发明第六实施例的数字掩模装置生成的数字掩模的示意图，如图9所示，本实施例的三维微纳结构光刻系统与第一实施例的三维微纳结构光刻系统结构大致相同，不同点在于数字掩模装置11生成的数字掩模101形状不同。
具体地，数字掩模101的图形曝光区101a为镰刀型。
第七实施例
本发明还涉及一种三维微纳结构光刻方法，所述方法包括:
提供数字掩模装置11，利用数字掩模装置11生成数字掩模101，数字掩模101包括图形曝光区101a；
提供空间光调制器12，将数字掩模101上次至空间光调制器12，利用空间光调制器12显示数字掩模101时，光线从图形曝光区101a射出，通过调节图形曝光区101a的长度，实现调节曝光剂量，图形曝光区101a的长度与曝光剂量成正比；
提供投影物镜13，利用投影物镜13将图形光投影在待光刻的基片21上；
提供旋转工作台14，利用旋转工作台14承载固定基片21，旋转工作台14驱使基片21转动曝光。在本实施例中，旋转工作台14可采用真空吸附的方式固定基片21，但并不以此为限。
值得一提的是，投影物镜13首先将图形光投影在基片21的中心区域，且图形光的边缘与基片21的中心重合，当旋转工作台14驱使基片21转动一周后停止转动，此时空间光调制器12停止曝光；
接着投影物镜13沿径向向外移动一个周期的距离，此时旋转工作台14驱使基片21再次转动一周，同时空间光调制器12继续曝光，依次类推，直到完成整个幅面的扫描曝光。
进一步地,将基片21固定在旋转工作台14前，在基片21表面涂覆光刻胶22，并基片21进行烘烤，温度85～110℃，时间1～60min。在本实施例中，光刻胶22的厚度为30um，但并不以此为限，可选用正性光刻胶22或负性光刻胶22。
进一步地,利用碱性显影液(例如TMAH、KOH、NaOH)对曝光后的基片21进行显影，显影液浓度为0.6％～1％，显影液温度为20～24℃，显影时间为30～150s；
对显影后的基片21进行冲洗、吹干，使基片21表面形成三维微纳结构211，且所述三维微纳结构211呈圆环形对称形状。
进一步地，控制旋转工作台14驱使基片21转动两周或两周以上，保持投影物镜13不移动位置，控制空间光调制器12持续曝光，当旋转工作台14停止转动时，空间光调制器12停止曝光，可进一步控制曝光深度和曝光均匀性。
进一步地，数字掩模装置11包括移动终端、电脑、ipad等，通过软件编程在数字掩模装置11上生成数字掩模101，数字掩模101的格式为Bmp位图，数字掩模101的图形曝光区101a形状可根据需要自由选择，本实施例以图形曝光区101a为直角三角形为例进行说明，请参照图1和图2，图形曝光区101a具有三个顶角，分别为第一顶角A、第二顶角B和第三顶角C，其中第二顶角B为直角，第一顶角A处的曝光剂量最弱，第二顶角B处的曝光剂量最强，从第一顶角A到第三顶角C的方向，图形曝光区101a的高度h逐渐增大，曝光剂量逐渐增大，对应基片21表面的三维微纳结构211的深度越大，请参照图2。值得一提的是，通过设计和调整图形曝光区101aBC边长的长度(图形曝光区101a的高度h)，进而控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211，例如菲涅尔透镜、半球形微透镜、同心环反光膜等。在本实施例中，图形曝光区101a的高度h方向平行于空间光调制器12的宽度方向或长度方向。
进一步地，数字掩模101还包括非透光区101b，非透光区101b设置于图形曝光区101a的周侧，非透光区101b呈黑色，当空间光调制器12的显示屏整屏显示数字掩模101时，非透光区101b不透光，图形曝光区101a透光,请参照图1。
进一步地，提供控制系统15，利用控制系统15调节控制旋转工作台14的转速。在本实施例中，控制系统15通过控制旋转工作台14的转速，实现控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211。
进一步地，提供光源16，利用光源16为空间光调制器12提供光，利用控制系统15调节控制光源16的光强。在本实施例中，控制系统15能调节控制光源16的光强，实现控制控制曝光剂量，从而获得不同曝光深度的三维微纳结构211。光源16例如为汞灯、LED、激光或者其他可以对光刻胶22进行感光的发光器件。
进一步地，提供准直透镜17，准直透镜17设置于光源16的出光方向上，利用准直透镜17准准直光线。
进一步地，本发明的三维微纳结构211光刻方法可以通过调整光强、控制旋转工作台14速度、图形曝光区101a的高度h等参量来控制曝光剂量。
进一步地，空间光调制器12为DMD、LCD或者LCOS等微型显示器件。
进一步地，投影物镜13微缩倍率范围采用5X～100X。
进一步地，旋转工作台14的高精度可支持1inch～12inch幅面的光刻。
进一步地，本发明的三维微纳结构光刻方法采用第一实施例的三维微纳结构光刻系统，关于三维微纳结构光刻系统的结构和功能请参照第一实施例，此处不再赘述。
本发明的三维微纳结构光刻方法具有光刻精度高、快速高效等优点。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种三维微纳结构光刻系统，其特征在于，包括数字掩模装置、空间光调制器、投影物镜和旋转工作台，其中：
所述数字掩模装置与所述空间光调制器电性连接，所述投影物镜设置于所述空间光调制器与所述旋转工作台之间，所述旋转工作台用于固定待光刻的基片；
所述数字掩模装置用以生成数字掩模，所述数字掩模包括图形曝光区，所述数字掩模装置将数字掩模上传至所述空间光调制器，所述空间光调制器用以显示所述数字掩模，光经过所述空间光调制器上的所述图形曝光区后射向所述投影物镜，所述图形曝光区的高度与曝光剂量呈正比；
所述投影物镜将图形光投影在所述基片上，所述旋转工作台驱使所述基片转动曝光,所述三维微纳结构光刻系统还包括控制系统，所述控制系统与所述投影物镜、所述旋转工作台电性连接，所述控制系统通过控制所述图形曝光区的高度来控制曝光剂量。
2.如权利要求1所述的三维微纳结构光刻系统，其特征在于，所述控制系统用以调节控制所述旋转工作台的转速。
3.如权利要求2所述的三维微纳结构光刻系统，其特征在于，所述三维微纳结构光刻系统还包括光源，所述光源用以为所述空间光调制器提供光，所述光源与所述控制系统电性连接，所述控制系统用以调节控制所述光源的光强。
4.如权利要求3所述的三维微纳结构光刻系统，其特征在于，所述三维微纳结构光刻系统还包括准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源的出光方向上，所述光源发出的光线经过所述准直透镜后射向所述空间光调制器。
5.一种三维微纳结构光刻方法，其特征在于，所述方法包括:
提供数字掩模装置，利用所述数字掩模装置生成数字掩模，所述数字掩模包括图形曝光区；
提供空间光调制器，将所述数字掩模上载至所述空间光调制器，利用所述空间光调制器显示所述数字掩模时，光线从所述图形曝光区射出，通过调节所述图形曝光区的长度，实现调节曝光剂量，所述图形曝光区的长度与曝光剂量成正比；
提供投影物镜，利用所述投影物镜将图形光投影在待光刻的基片上；
提供旋转工作台，利用所述旋转工作台承载固定所述基片，所述旋转工作台驱使所述基片转动曝光,提供控制系统，利用所述控制系统控制所述图形曝光区的高度来控制曝光剂量。
6.如权利要求5所述的三维微纳结构光刻方法，其特征在于，利用所述控制系统调节控制所述旋转工作台的转速，通过调节所述工作台的转速，调节曝光剂量，所述工作台的转速与曝光剂量成反比。
7.如权利要求6所述的三维微纳结构光刻方法，其特征在于，提供光源，利用所述光源为所述空间光调制器提供光，利用所述控制系统调节控制所述光源的光强，通过调节所述光源的光强，调节曝光剂量，所述光源的光强与曝光剂量成正比。
8.如权利要求7所述的三维微纳结构光刻方法，其特征在于，提供准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源的出光方向上，利用所述准直透镜准直光线。
9.如权利要求5所述的三维微纳结构光刻方法，其特征在于，将所述基片固定在所述旋转工作台前，在所述基片表面涂覆光刻胶，并对所述基片进行烘烤，温度85～110℃，时间1～60min。
10.如权利要求5所述的三维微纳结构光刻方法，其特征在于，利用碱性显影液对曝光后的所述基片进行显影，显影液浓度为0.6％～1％，显影液温度为20～24℃，显影时间为30～150s；
对显影后的所述基片进行冲洗、吹干，使所述基片表面形成三维微纳结构。
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