CN112987506A - 一种双光束无掩模光刻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光束无掩模光刻系统。所述双光束无掩模光刻系统包括：第一和第二光源、扩束匀化单元(2)、光场调制单元(3)和光束调节单元(4)，第一光源用于发射激发光；第二光源用于发射损耗光；光束调节单元(4)用于将扩束匀化单元(2)和光场调制单元(3)处理后形成的图形化平行光束阵列转化为成像平面上的像素点阵，像素点阵的非零像素点的中心为第一光束实心圆(601)、外环为第二光束中空环(602)，其中，第一光束实心圆(601)的直径大于第二光束中空环(602)的内直径，小于第二光束中空环(602)的外直径。本发明的双光束无掩模光刻系统可以缩小单个光刻点的大小，从而能够显著提高光刻分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及无掩模光刻技术领域，具体涉及一种双光束无掩模光刻系统。
背景技术
光刻技术是集成电路行业发展的基石。随着半导体等领域的进一步发展，集成电路逐渐向轻、薄、小型化发展，这对光刻分辨率提出了更高的要求。光刻技术受限于光学的衍射极限，其分辨率取决于光源波长和透镜的数值孔径。为了提高光刻分辨率，通常需要短波长的曝光光源或高数值孔径的透镜，极大的增加了集成电路的成本。如何在保证加工效率和成本的同时，进一步提高光刻技术的分辨率是当前的技术难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双光束无掩模光刻系统来提高光刻分辨率。
为实现上述目的，本发明提供一种双光束无掩模光刻系统，所述双光束无掩模光刻系统包括：光源、扩束匀化单元、光场调制单元、光束调节单元和载物台，
所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源用于发射激发光、引发光刻胶发生光化学反应；所述第二光源用于发射损耗光、阻止光刻胶发生光化学反应；
所述扩束匀化单元包括扩束器和准直透镜，用于将上述第一光源和第二光源产生的光束进行匀化扩大和准直，输出匀化准直光束；
所述光场调制单元包括光场调制器，用于将接收的匀化准直光束转变为图形化平行光束阵列；
所述光束调节单元用于将所述图形化平行光束阵列转化为成像平面上的像素点阵，像素点阵的非零像素点的中心为第一光束实心圆、外环为第二光束中空环，其中，所述第一光束实心圆的直径大于所述第二光束中空环的内直径，小于所述第二光束中空环的外直径；
所述载物台用于装载基板。
优选地，所述光束调节单元包括微透镜阵列、涡旋相位板阵列、光栅阵列、相位片阵列和/或轴棱锥/透镜组合阵列，用于将第二光束调制为成像平面上的中空环。
优选地，所述光束调节单元包括微透镜阵列，所述微透镜阵列的每个微透镜的中央带有吸光镀层，所述吸光镀层对于所述损耗光的吸光系数为100％。
优选地，所述吸光镀层对于所述激发光的吸光系数为100％。
优选地，所述光束调节单元包括微透镜阵列，所述微透镜阵列的每个微透镜的中央带有反光层，所述反光层对于所述损耗光的反射系数为100％；对于所述激发光的反射系数为100％。
优选地，所述光束调节单元与载物台之间，设置有透镜组，以调节光刻胶与光学元件的工作距离。
优选地，所述光场调制器包括数字透镜器件(DMD)、光栅光阀、液晶空间光调制器和/或MEMS空间光调制器。
优选地，对于像素点阵上的紧邻的点，采用不同的图像帧进行光刻。
优选地，依次采用4帧图像进行光刻的方式来进行完整图形的光刻，其中，所述4帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的一个点进行光刻；或者
依次采用两帧图像进行光刻的方式进行更完整图像的光刻，所述两帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的两个对角线分布的点进行光刻。
优选地，所述第一光源为473nm激光器，所述第二光源为364nm激光器，所述光刻胶为樟脑醌/4-(二甲氨基)苯甲酸乙酯/二硫化四乙基秋兰姆/二甲基丙烯酸三乙二醇酯混合物。
与现有技术相比，本发明实施例的双光束无掩模光刻系统通过光束调节单元产生中空损耗光，并与激发光相结合，在其他情况不变的情况下，可以缩小单个光刻点的大小或直径，从而能够显著提高光刻分辨率。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的双光束无掩模光刻系统的示意图。
图2为本发明的双光束无掩模光刻系统的第一和第二光源形成的光斑的对比示意图。
图3为第一和第二光源形成的光斑叠加后的示意图及线宽精度比较示意图。
图4和图5为采用4帧图像进行光刻的原理示意图。
图6和图7为采用两帧图像进行光刻的原理示意图。
附图标记：
| 1 | 光源 | 41 | 微透镜阵列 |
| 2 | 扩束匀化单元 | 110 | 激发光 |
| 3 | 光场调制单元 | 120 | 损耗光 |
| 4 | 光束调节单元 | 130 | 混合光 |
| 5 | 载物台 | 411 | 微透镜 |
| 11 | 第一光源 | 412 | 吸光镀层 |
| 12 | 第二光源 | 601 | 第一光束实心圆 |
| 31 | 光场调制器 | 602 | 第二光束中空环 |
| 32 | 透镜组 |
具体实施方式
在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明实施例的双光束无掩模光刻系统能够用于集成电路制造、微纳制造、3D打印等技术领域。本发明实施例的双光束无掩模光刻系统提供一种双光束超衍射光刻系统。本发明实施例的双光束无掩模光刻系统，能够在实现大面积曝光的同时，提高光刻分辨率。
如图1所示，根据本发明实施例的双光束无掩模光刻系统包括：光源1、扩束匀化单元2、光场调制单元3、光束调节单元4和载物台5。所述双光束无掩模光刻系统还可以根据实际需要引入计算机等控制系统、光电检测器等检测系统。
与现有技术相比，本发明实施例的双光束无掩模光刻系统通过光束调节单元产生中空损耗光，并与激发光相结合，在其他情况不变的情况下，可以缩小光刻点的直径，从而显著提高光刻分辨率。
光源用于为光刻胶提供反应所需的能量或抑制光刻胶发生反应。扩束匀化单元用于调整光束尺寸及匀化光强分布。光场调制单元用于将接收的均匀光斑转变为像素点阵；光束调节单元用于将第二光束调制为中空光束；移动载物台用于放置光刻胶，或带有光刻胶的基板或3D打印基体。
光源1包括第一光源11和第二光源12，可以为激光光源，LED或其他能量辐射源。第一光源11用于发射激发光110、引发光刻胶发生光化学反应。第二光源12用于发射损耗光120、阻止光刻胶发生光化学反应。也就是说，在基板上，激发光110照射区域内的光刻胶发生光化学反应，而在损耗光120照射区域内的光刻胶不发生光化学反应。对于激发光110和损耗光120重叠照射区域，光刻胶也不发生光化学反应。
第一光源、第二光源可以根据具体情况选择，可以选用适当的波长、功率强度等规格参数，只要对于选用的光刻胶能够分别用作激发光与损耗光即可。
在一个可选实施例中，第一光源11为473nm激光器，第二光源12为364nm激光器。光刻胶为樟脑醌/4-(二甲氨基)苯甲酸乙酯/二硫化四乙基秋兰姆/二甲基丙烯酸三乙二醇酯混合物。
扩束匀化单元2用于将上述第一光源11和第二光源12产生的光束进行匀化扩大和准直，输出匀化准直光束。扩束匀化单元2可以选用现有技术的任何适当规格的扩束匀化单元2。例如，扩束匀化单元2包括扩束器和准直透镜。可以理解的是，第一光源11和第二光源12由扩束匀化单元2混合均化。也就是说，扩束匀化单元2输出的匀化准直光束包括均匀混合的第一光源11发出的光(激发光110)和第二光源12发出的光(损耗光120)。
光场调制单元3包括光场调制器31，通过光场调制器31将接收的匀化准直光束转变为图形化平行光束阵列。光场调制单元3可以选用现有技术的任何适当规格的光场调制单元。光场调制器31可以选用现有技术的任何适当规格的光场调制器。图形化平行光束阵列中的每束光包括均匀混合的第一光源11发出的光(激发光110)和第二光源12发出的光(损耗光120)。所述光场调制器31例如可以采用数字透镜器件DMD、光栅光阀、液晶空间光调制器和/或MEMS空间光调制器。
在一个实施例中，光场调制单元3还包括透镜组32。在一个备选本实施例中，光场调制器31为液晶空间光调制器，透镜组32为两个凸透镜的组合，但并不以此为限。透镜组32用于矫正像差，在某些实施例中可以不包含该单元。
光束调节单元4用于将所述图形化平行光束阵列转化为成像平面上的像素点阵。参见图2，像素点阵的每个非零像素点的中心为第一光束实心圆601、外环为第二光束中空环602。第一光束实心圆601由激发光110照射形成；第二光束中空环602由损耗光120照射形成。第一光束实心圆601和第二光束中空环602的中心重合。
第一光束实心圆601的直径D1大于所述第二光束中空环602的内直径D2，小于所述第二光束中空环602的外直径D3。像素点阵的非零像素点是指有光照的像素点。这样，尽管第一光束实心圆601的直径为D1，但是最终形成的非零像素点处的光刻区域的直径为D2。也就是说，第一光束实心圆601的外周区域，尽管被激发光110照射，但是同时也被损耗光120照射，从而，该重叠照射区域的光刻胶不发生光化学反应。
载物台5用于装载基板。所述载物台5可以为固定载物台；也可以是移动载物台，带动装载的基板在水平方向运动和/或翻转。在一个实施例中，载物台5为高精度移动载物台。
在一个备选实施例中，基板的一侧加载光刻胶，并可在水平方向自由移动。在另一个备选实施例中，基板的两侧均可用于加载光刻胶，并可自由移动和翻转。在图示本实施例中，基板上方用于加载光刻胶，并可在水平面内自由移动，但本发明并不以此为限。
光束调节单元4可以采用微透镜阵列、涡旋相位板阵列、光栅阵列、相位片阵列和/或轴棱锥/透镜组合阵列，来将第二光束调制为成像平面上的中空环。例如，所述阵列中的每个单元对应一个光刻像素点。
在一个实施例中，所述光束调节单元4包括微透镜阵列41，所述微透镜阵列41的每个微透镜411的中央带有吸光镀层412，所述吸光镀层412对于所述损耗光120的吸光系数为100％。这样，照射在吸光镀层区域的损耗光120被吸收，从而形成成像平面上的中空环。中空环内部中空区域的大小可以通过调整吸光镀层412的大小和或微透镜的折射率、位置等来设置。
在一个备选实施例中，所述吸光镀层412对于所述激发光110的吸光系数为100％。这有利于选择吸光镀层的材料。
在另一个实施例中，所述光束调节单元4包括微透镜阵列41，所述微透镜阵列41的每个微透镜411的中央带有反光层，所述反光层对于所述损耗光120的反射系数为100％；对于所述激发光110的反射系数为100％。这同样可以实现下述效果：像素点阵的每个非零像素点的中心为第一光束实心圆601、外环为第二光束中空环602。
为了调节光刻胶(成像平面)与光学元件的工作距离，优选地，所述光束调节单元4与载物台5之间，设置有透镜组。
为了避免像素点阵上的紧邻的点在光刻时相互影响，对于像素点阵上的紧邻的点，采用不同的图像帧进行光刻。紧邻的点，是指直接邻接的点。例如同一行上邻接的点，或者同一列上邻接的点。
在一个可选实施例中，如图4和5所示，依次采用4帧图像进行光刻的方式来进行完整图形的光刻，其中，所述4帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的一个点进行光刻。第一帧图像对应标记为a的点；第二帧图像对应标记为b的点；第三帧图像对应标记为c的点；第四帧图像对应标记为d的点。可以理解的是，每一帧图像中的对应a、b、c、d相应位置的点根据光刻图像可以为非零点(有光照，需光刻)，也可以是零点(无光照，无需光刻)。每一帧图像中的对应a、b、c、d之外的点均为零点。
在另一个可选实施例中，如图6和7所示，依次采用两帧图像进行光刻的方式进行更完整图像的光刻，所述两帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的两个对角线分布的点进行光刻。第一帧图像对应标记为e的点；第二帧图像对应标记为f的点。
在本发明实施例的双光束光刻系统中，激发光110和损耗光120的光束经扩束、准直、匀化后合并为混合光130，随后入射液晶空间光调制器31输出图形光。再经由透镜组32后入射微透镜阵列41；由于微透镜的焦点与入射光的波长相关，光刻胶所在平面上5将产生中心为实心第一光束601、外环为中空第二光束的像素点阵602，如图2所示。其中，由于第二光束对光刻胶的抑制作用，光刻胶的光化学反应仅发生在像素中央603。传统无掩模光刻技术中，光刻胶的光化学反应发生在第一光束所辐照的区域。与传统无掩模光刻相比，本发明提供的双光束光刻系统在保持其光刻效率的同时，通过简单的引入光束调节器和第二光源，显著提高了光刻分辨率。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述双光束无掩模光刻系统包括：光源(1)、扩束匀化单元(2)、光场调制单元(3)、光束调节单元(4)和载物台(5)，
所述光源(1)包括第一光源(11)和第二光源(12)，所述第一光源(11)用于发射激发光(110)、引发光刻胶发生光化学反应；所述第二光源(12)用于发射损耗光(120)、阻止光刻胶发生光化学反应；
所述扩束匀化单元(2)包括扩束器和准直透镜，用于将上述第一光源(11)和第二光源(12)产生的光束进行匀化扩大和准直，输出匀化准直光束；
所述光场调制单元(3)包括光场调制器(31)，用于将接收的匀化准直光束转变为图形化平行光束阵列；
所述光束调节单元(4)用于将所述图形化平行光束阵列转化为成像平面上的像素点阵，像素点阵的非零像素点的中心为第一光束实心圆(601)、外环为第二光束中空环(602)，其中，所述第一光束实心圆(601)的直径大于所述第二光束中空环(602)的内直径，小于所述第二光束中空环(602)的外直径；
所述载物台(5)用于装载基板。
2.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述光束调节单元(4)包括微透镜阵列、涡旋相位板阵列、光栅阵列、相位片阵列和/或轴棱锥/透镜组合阵列，用于将第二光束调制为成像平面上的中空环。
3.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述光束调节单元(4)包括微透镜阵列(41)，所述微透镜阵列(41)的每个微透镜(411)的中央带有吸光镀层(412)，所述吸光镀层(412)对于所述损耗光(120)的吸光系数为100％。
4.如权利要求3所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述吸光镀层(412)对于所述激发光(110)的吸光系数为100％。
5.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述光束调节单元(4)包括微透镜阵列(41)，所述微透镜阵列(41)的每个微透镜(411)的中央带有反光层，所述反光层对于所述损耗光(120)的反射系数为100％；对于所述激发光(110)的反射系数为100％。
6.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述光束调节单元(4)与载物台(5)之间，设置有透镜组，以调节光刻胶与光学元件的工作距离。
7.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述光场调制器(31)包括数字透镜器件(DMD)、光栅光阀、液晶空间光调制器和/或MEMS空间光调制器。
8.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，对于像素点阵上的紧邻的点，采用不同的图像帧进行光刻。
9.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，依次采用4帧图像进行光刻的方式来进行完整图形的光刻，其中，所述4帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的一个点进行光刻；或者
依次采用两帧图像进行光刻的方式进行更完整图像的光刻，所述两帧图像分别对四个紧邻且呈方形或矩形排列的点阵中的两个对角线分布的点进行光刻。
10.如权利要求1所述的双光束无掩模光刻系统，其特征在于，所述第一光源(11)为473nm激光器，所述第二光源(12)为364nm激光器，所述光刻胶为樟脑醌/4-(二甲氨基)苯甲酸乙酯/二硫化四乙基秋兰姆/二甲基丙烯酸三乙二醇酯混合物。
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| CN114706208B (zh) * | 2022-02-18 | 2023-01-17 | 中国科学院化学研究所 | 受激辐射损耗光学显微镜及其显微成像系统 |
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