CN113985703B - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学元件制备技术领域，公开一种光学系统，以提高衍射光学元件的制作效率并确保产品可靠性。系统包括：曝光光路和对齐对准光路；在曝光光路上，按先后顺序依次部署有掩膜板、模板和样品基片；样品基片设有用于经过曝光将模板偏振信息转化或复制的光敏材料并置于位移台上；掩膜板与模板为垂直于光路的平行关系；对齐对准光路上还部署有：对样品基片中的光敏材料不产生反应的对齐光源；部署在对齐光源与样品基片之间的对齐版；以及与第一图像采集装置连接的第一控制主机，在第一图像采集装置采集过滤掉模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像过程中，在第一图像采集装置与样品基片之间部署用于过滤掉模板所产出偏振信息的第二线性偏振片。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术领域，尤其涉及一种光学系统。

背景技术

激光直写是制作衍射光学元件的主要技术之一，它利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓，制作精度可以达到亚微米量级。

通常激光直写的效率比较低，如何提高衍射光学元件的制作效率成为当前的研究热点。

发明内容

本发明目的在于公开一种光学系统，以提高衍射光学元件的制作效率并确保产品可靠性。

为达上述目的，本发明公开的光学系统包括：

曝光光路和对齐对准光路；

在所述曝光光路上，按先后顺序依次部署有掩膜板、模板和样品基片；所述样品基片设有用于经过曝光将模板偏振信息转化或复制的光敏材料并置于位移台上；所述掩膜板与模板为垂直于光路的平行关系；

所述对齐对准光路上还部署有：

独立于曝光光源的对齐光源，且所述对齐光源的波长范围对所述样品基片中的光敏材料不产生反应；

携带对齐图像信息的对齐版，部署在所述对齐光源与所述样品基片之间；

与第一控制主机连接的第一图像采集装置，用于采集所述模板空置状态下的所述掩膜板所输出的第一曝光光斑图像，并在所述模板添加至光路后，采集过滤掉模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像；以及在所述样品基片添加至光路后，采集所述对齐版所携带对齐图像信息分别经所述样品基片和所述模板反射后的重叠图像；

所述第一控制主机，用于根据所述第一曝光光斑图像确定所述掩膜板的中心位置，及根据所述第二曝光光斑图像确定所述模板的中心位置，将所述掩膜板的中心与所述模板的中心通过曝光光路进行对准处理；并在对准处理后，根据所述样品基片添加至光路后的所述重叠图像之间的图像重叠实况计算所述样品基片与所述模板之间的距离，并根据所计算距离结果指令所述位移台带动所述样品基片执行与所述模板的对齐处理；

其中，在所述第一图像采集装置采集过滤掉模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像过程中，在所述第一图像采集装置与所述样品基片之间部署一用于过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二线性偏振片。

可选地，本发明所述模板通过激光直写或干涉曝光方式对内部材料的排布进行取向以形成相应的偏振信息。

可选地，在所述样品基片之前的曝光光路上，按光路先后顺序依次部署有激光光源、第一线性偏振片和第一1/4波片。进一步地，所述第一线性偏振片部署于一能对偏振方向进行调校的旋转器件上，且所述第一1/4波片部署于一能对快轴方向与所述第一线性偏振片所对应偏振方向之间的夹角进行调校的旋转器件上；调校范围内的所述夹角至少包括0度和正负45度。藉此，本发明系统既可以实现圆偏振光的复制拼接，又可以实现线偏光的复制拼接。作为配套，当采用线偏光复制的时候，所述模板采用半波片；当采用圆偏光复制的时候，所述模板采用1/4波片。

可选地，本发明系统还包括：用于对所述曝光光路进行分束处理，并根据被分的一束曝光光路以监控所述曝光光路中的器件所产生的应力漂移是否超出设定阈值范围的光源监控系统。优选地，所述光源监控系统包括：

第二1/4波片、第三线性偏振片和第二图像采集装置，所述第三线性偏振片位于所述第二1/4波片与所述第二图像采集装置之间，且所述第三线性偏振片固定的偏振方向与所述第一线性偏振片的偏振方向垂直；以及与所述第二图像采集装置连接的第二控制主机，用于分析所述第二图像采集装置所采集的图像，当所采集图像存在漏光则判断所述曝光光路中的器件产生了应力漂移。

优选地，本发明所述样品基片置于三轴位移台上且尺寸大小包括至少两个光刻单元，各所述光刻单元内设有用于经过曝光复制所述模板所携带图像的光敏材料。相对应地，所述位移台为三轴位移台，所述三轴位移台通过X轴和Y轴位移将下一光刻单元移位至所述曝光光路中，并经所述三轴位移台通过Z轴位移调校以使得当前光刻单元与所述模板之间的间距与所保存的上一光刻单元与所述模板之间的间距之间的误差处于设定阈值范围内；其中，所述掩膜板与模板被调校为垂直于Z轴光路。

优选地，所述对齐版到所述样品基片之间的光程与所述样品基片到所述图像采集装置之间的光程相等。

本发明具有以下有益效果：

1、样品基片通过曝光的方式转化或复制了模板的偏振信息。当采用圆偏光复制时，样品基片最终产品中的信息与模板信息完全一致，使得样品基片中各光刻单元能实现与模板同样的光学性能。当采用线偏光复制时，最终产品中样品基片信息会比模板信息多(两倍)；例如：当线偏光经过半波片模板，偏转角度是线偏光与波片快轴的两倍，模板假如是一个500线的偏振光栅，经过线偏光复制以后，样品就变成了1000线的偏振光栅了，从而使得样品基片中各光刻单元能实现比模板更精密的性能。

2、采用曝光方式提高了效率。在本案申请人取相同尺寸的光刻单元进行对比，并取一系列不同尺寸所分别对应的几组对比数据可得：传统的激光直写方式需要五至十多分钟完成写入，而用本发明予以替代，可以将制作时间大幅降低至1-8秒。

3、当样品基片的尺寸大小包括至少两个光刻单元时，以本发明制作的样品基片可以作为新的模板再通过一次类似的曝光方式可实现整个样品基片中所拼接的各光刻单元的复制，从而进一步提高效率。而且复制过程中，省略了三轴位移台在相邻光刻单元之间的频繁切换，提高效率的同时也避免了三轴位移台频繁切换所带来的精度干扰问题。

4、在制作工程中，通过相应的对齐和对准处理，既能避免不同批次样品基片所转化或复制的偏振信息之间的偏差，又能避免位移台在光刻单元之间切换所带来的精度干扰问题，确保了制造产品的良率和可靠性。

5、附加的光源监控系统可用于监控曝光光路中的器件所产生的应力漂移是否超出设定的阈值范围，以便于及时调校以避免对偏振信息转化或复制结果造成不利影响，从而进一步确保曝光所转化或复制偏振信息的精度，进一步确保了制造产品的良率和可靠性。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的实施偏振信息转化或复制的光学系统所对应光路结构示意图。

图2是本发明实施例公开的第一图像采集装置所采集对齐用重叠图像的界面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种光学系统，包括：

曝光光路和对齐对准光路。

在所述曝光光路上，按先后顺序依次部署有掩膜板、模板和样品基片；所述样品基片设有用于经过曝光将模板偏振信息转化或复制的光敏材料并置于位移台上；所述掩膜板与模板为垂直于光路的平行关系。本实施例中，所谓“偏振信息转化或复制”即转化或复制模板的偏振信息，跟模板及入射光有关；模板通常采用半波或1/4波的几何相位器件，满足特定要求的入射光经过模板后，会发生衍射，不同级次的衍射光在相互重合时，会重新发生干涉，干涉形成的光场不会有光强变化，但会携带偏振信息，当我们用光敏材料去记录这个偏振信息时，叫做偏振信息转化或复制。其中，当样品基片最终产品中光场信息与模板一致即为“复制”，当样品基片最终产品中光场信息比模板更精密即为“转化”，后续不做赘述。

所述对齐对准光路上还部署有：

独立于曝光光源的对齐光源，且所述对齐光源的波长范围对所述样品基片中的光敏材料不产生反应。

携带对齐图像信息的对齐版，部署在所述对齐光源与所述样品基片之间。

与第一控制主机连接的第一图像采集装置，用于采集所述模板空置状态下的所述掩膜板所输出的第一曝光光斑图像，并在所述模板添加至光路后，采集过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像；以及在所述样品基片添加至光路后，采集所述对齐版所携带对齐图像信息分别经所述样品基片和所述模板反射后的重叠图像。

所述第一控制主机，用于根据所述第一曝光光斑图像确定所述掩膜板的中心位置，及根据所述第二曝光光斑图像确定所述模板的中心位置，将所述掩膜板的中心与所述模板的中心通过曝光光路进行对准处理；并在对准处理后，根据所述样品基片添加至光路后的所述重叠图像之间的图像重叠实况计算所述样品基片与所述模板之间的距离，并根据所计算距离结果指令所述位移台带动所述样品基片执行与所述模板的对齐处理。

其中，在所述第一图像采集装置采集过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像过程中，在所述第一图像采集装置与所述样品基片之间部署一用于过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二线性偏振片。

可选地，在所述样品基片之前的曝光光路上，按光路先后顺序依次部署有激光光源、第一线性偏振片和第一1/4波片。进一步地，所述第一线性偏振片部署于一能对偏振方向进行调校的旋转器件上，且所述第一1/4波片部署于一能对快轴方向与所述第一线性偏振片所对应偏振方向之间的夹角进行调校的旋转器件上；调校范围内的所述夹角至少包括0度和正负45度。藉此，本实施例系统既可以实现圆偏振光的复制拼接，又可以实现线偏光的复制拼接。作为配套，当采用线偏光复制的时候，所述模板采用半波片；当采用圆偏光复制的时候，所述模板采用1/4波片。

可选地，本发明系统还包括：用于对所述曝光光路进行分束处理，并根据被分的一束曝光光路以监控所述曝光光路中的器件所产生的应力漂移是否超出设定阈值范围的光源监控系统。优选地，所述光源监控系统包括：

第二1/4波片、第三线性偏振片和第二图像采集装置，所述第三线性偏振片位于所述第二1/4波片与所述第二图像采集装置之间，且所述第三线性偏振片固定的偏振方向与所述第一线性偏振片的偏振方向垂直；以及与所述第二图像采集装置连接的第二控制主机，用于分析所述第二图像采集装置所采集的图像，当所采集图像存在漏光则判断所述曝光光路中的器件产生了应力漂移。

优选地，本发明所述样品基片置于三轴位移台上且尺寸大小包括至少两个光刻单元，各所述光刻单元内设有用于经过曝光复制所述模板所携带图像的光敏材料。相对应地，所述位移台为三轴位移台，所述三轴位移台通过X轴和Y轴位移将下一光刻单元移位至所述曝光光路中，并经所述三轴位移台通过Z轴位移调校以使得当前光刻单元与所述模板之间的间距与所保存的上一光刻单元与所述模板之间的间距之间的误差处于设定阈值范围内；其中，所述掩膜板与模板被调校为垂直于Z轴光路。

藉此，本实施例的对齐处理具体包括以下两方面内容:

一方面，当前批次的样品基片与掩膜板之间的距离与上一批次样品基片与掩膜板之间的距离相等。其中，该样品基片尺寸可以与模板的尺寸大致相等，尤其是当模板采用的是矩阵式光刻单元组成的样品基片时，该对齐处理尤为适用；同理，当样品基片只包括一个光刻单元时也具有实操的现实意义。

另一方面，当样品基片尺寸大小包括至少两个光刻单元时，该对齐处理还包括：在通过后续三轴位移台切换光刻单元的过程中，将当前光刻单元与模板之间的距离调校为与上一光刻单元与模板之间的距离一致。其中，各光刻单元复制模板偏振信息的具体步骤包括：

步骤S1、按光路先后顺序依次部署掩膜板、模板和样品基片，样品基片置于三轴位移台上且尺寸大小包括至少两个光刻单元，各光刻单元内设有用于将模板偏振信息转化或复制的光敏材料。

在该步骤中，模板可通过激光直写或干涉曝光方式对内部材料的排布进行取向以形成相应的偏振信息。

步骤S2、将掩膜板与模板调校为垂直于Z轴光路的平行关系。

步骤S3、在放置样品基片之前，将掩膜板的中心与模板的中心通过曝光光路进行对准处理。

可选的，掩膜板所形成的光斑形状包括但不限于等腰三角形、长方形、正方形或圆形等。在对准过程中，可借助人工视觉和手动的方式在软件操作截面中予以标定；也可以基于软件对图像的自动识别算法予以自动标定。同理，在对准具体操作的执行过程中，可以通过人工操作的方式，也可以通过后续的诸如由第一控制主机指令掩膜板和/或模板的位移组件进行自动调校等方式予以实现；由于在各批次样品基片的制造过程中，只需要执行一次或少量数量的校准即可满足需求，因此，采用前述人工手动操作方式，既降低了系统的复杂度，且同时由于执行本发明场景所要求的精度的自动调校设备价格昂贵，又由此大幅节约了成本。

步骤S4、在完成对准处理后，关闭曝光光路的光源，将样品基片置于三轴位移台上，记录第一个光刻单元与模块之间的间距信息，然后对第一个光刻单元进行曝光后关闭曝光光路的光源；指令三轴位移台通过X轴和Y轴位移将下一光刻单元移位至曝光光路中，并经三轴位移台通过Z轴位移调校以使得当前光刻单元与模板之间的间距与所保存的上一光刻单元与模板之间的间距之间的误差处于设定阈值范围内，然后对当前光刻单元进行曝光后关闭曝光光路的光源；依此类推，对剩余光刻单元逐一按照上一光刻单元同样的步骤进行循环切换处理。

优选地，本实施例所述对齐版到所述样品基片之间的光程与所述样品基片到所述图像采集装置之间的光程相等。以便于第一图像采集装置清晰得采集对齐图像，同时也为后续根据重叠图像信息计算模板与样品基片之间的距离垫定了基础。

优选地，所述模板通过激光直写或干涉曝光方式对内部材料的排布进行取向以形成相应的偏振信息；其中，当采用线偏光复制的时候，所述模板采用半波片；当采用圆偏光复制的时候，所述模板采用1/4波片。

优选地，本实施例一种具体光学系统的光路结构如图1所示，具体包括：

激光光源1、第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、第一线性偏振片31、第二线性偏振片73、第三线性偏振片72、物镜4、小孔5、第一透镜61、第二透镜62、第一1/4波片71、第二1/4波片72、第一非偏振分束立方81、第二非偏振分束立方83、掩膜板12、模板13、样品基片14、第一图像采集装置92、第二图像采集装置91、对齐版10、对齐光源11。

值得说明的是，上述器件称谓中用于修饰的“第一、第二及第三”其作用仅为了便于描述过程中的区分，以“第一、第二及第三”所限定的各功能器件所具备的对光具体作用的物理属性是一致的，后续不做赘述。其中，非偏振分束立方用于实现分束处理；1/4波片用于在其快轴方向与相应的线性偏振光的偏振方向成45度角时，将线性偏振光转换为圆偏振光，而当圆偏振光入射时，则将圆偏振光转换为偏振方向与波片快慢轴成45°的线性偏振光，而当其快轴方向与入射的线性偏振光的偏振方向成0度角时，则对相应的线性偏振光实现透传处理。第一、第二和第三反射镜均用于形成直角反射，例如，第三反射镜23用于将垂直光路转换成水平方向光路。

在图1中，物镜4、小孔5和第一透镜61用于联合实现光斑大小的调节；在具体分工过程中，物镜4用于实现聚光，小孔5可用于过滤掉高阶杂光，第一透镜61的作用还包括有扩束和准直功能。第二透镜用于实现调焦。

基于图1所示的H型对齐版，在第一图像采集装置中，在样品基片的反射作用下会形成一个像，在模板的反射作用下也会形成一个像，由于样品基片通常与模板之间的间距很小，因此，两个像之间的重叠度会比较高，具体可参照图2，而且当模板与样品基片两反射面之间的距离不同，第一图像采集装置所收集像的重叠情况也不同，通过matlab软件可实现根据重叠像的信息来反推模板与样品基片两反射面之间的距离。

优选地，为便于更便捷地执行对齐和对准处理，本实施例模板和样品基片的上下表面都采用水平面结构。

综上，本实施例具有以下有益效果：

1、样品基片通过曝光的方式转化或复制了模板的偏振信息。当采用圆偏光复制时，样品基片最终产品中的信息与模板信息完全一致，使得样品基片中各光刻单元能实现与模板同样的光学性能。当采用线偏光复制时，最终产品中样品基片信息会比模板信息多(两倍)；例如：当线偏光经过半波片模板，偏转角度是线偏光与波片快轴的两倍，模板假如是一个500线的偏振光栅，经过线偏光复制以后，样品就变成了1000线的偏振光栅了，从而使得样品基片中各光刻单元能实现比模板更精密的性能。

2、采用曝光方式提高了效率。在本案申请人取相同尺寸的光刻单元进行对比，并取一系列不同尺寸所分别对应的几组对比数据可得：传统的激光直写方式需要五至十多分钟完成写入，而用本实施例予以替代，可以将制作时间大幅降低至1-8秒。

3、以本实施例制作的样品基片可以作为新的模板再通过一次类似的曝光方式可实现整个样品基片中所拼接的各光刻单元的复制，从而进一步提高效率。而且复制过程中，省略了三轴位移台在相邻光刻单元之间的频繁切换，提高效率的同时也避免了三轴位移台频繁切换所带来的精度干扰问题。

4、在制作工程中，通过相应的对齐和对准处理，既能避免不同批次样品基片所转化或复制的偏振信息之间的偏差，又能避免位移台在光刻单元之间切换所带来的精度干扰问题，确保了制造产品的良率和可靠性。

5、附加的光源监控系统可用于监控曝光光路中的器件所产生的应力漂移是否超出设定的阈值范围，以便于及时调校以避免对偏振信息转化或复制结果造成不利影响，从而进一步确保曝光所转化或复制偏振信息的精度，进一步确保了制造产品的良率和可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

曝光光路和对齐对准光路；

在所述曝光光路上，按先后顺序依次部署有掩膜板、模板和样品基片；所述样品基片设有用于经过曝光将模板偏振信息转化或复制的光敏材料并置于位移台上；所述掩膜板与模板为垂直于光路的平行关系；

所述对齐对准光路上还部署有：

独立于曝光光源的对齐光源，且所述对齐光源的波长范围对所述样品基片中的光敏材料不产生反应；

携带对齐图像信息的对齐版，部署在所述对齐光源与所述样品基片之间；

与第一控制主机连接的第一图像采集装置，用于采集所述模板空置状态下的所述掩膜板所输出的第一曝光光斑图像，并在所述模板添加至光路后，采集过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像；以及在所述样品基片添加至光路后，采集所述对齐版所携带对齐图像信息分别经所述样品基片和所述模板反射后的重叠图像；

所述第一控制主机，用于根据所述第一曝光光斑图像确定所述掩膜板的中心位置，及根据所述第二曝光光斑图像确定所述模板的中心位置，将所述掩膜板的中心与所述模板的中心通过曝光光路进行对准处理；并在对准处理后，根据所述样品基片添加至光路后的所述重叠图像之间的图像重叠实况计算所述样品基片与所述模板之间的距离，并根据所计算距离结果指令所述位移台带动所述样品基片执行与所述模板的对齐处理；

其中，在所述第一图像采集装置采集过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二曝光光斑图像过程中，在所述第一图像采集装置与所述样品基片之间部署一用于过滤掉所述模板所产出偏振信息的第二线性偏振片。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在所述样品基片之前的曝光光路上，按光路先后顺序依次部署有激光光源、第一线性偏振片和第一1/4波片。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一线性偏振片部署于一能对偏振方向进行调校的旋转器件上，且所述第一1/4波片部署于一能对快轴方向与所述第一线性偏振片所对应偏振方向之间的夹角进行调校的旋转器件上；调校范围内的所述夹角至少包括0度和正负45度。

4.根据权利要求2或3所述的光学系统，其特征在于，还包括：

用于对所述曝光光路进行分束处理，并根据被分的一束曝光光路以监控所述曝光光路中的器件所产生的应力漂移是否超出设定阈值范围的光源监控系统。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述光源监控系统包括：

第二1/4波片、第三线性偏振片和第二图像采集装置，所述第三线性偏振片位于所述第二1/4波片与所述第二图像采集装置之间，且所述第三线性偏振片固定的偏振方向与所述第一线性偏振片的偏振方向垂直；以及还包括：

与所述第二图像采集装置连接的第二控制主机，用于分析所述第二图像采集装置所采集的图像，当所采集图像存在漏光则判断所述曝光光路中的器件产生了应力漂移。

6.根据权利要求1至3任一所述的光学系统，其特征在于，所述样品基片置于三轴位移台上且尺寸大小包括至少两个光刻单元，各所述光刻单元内设有用于经过曝光将模板偏振信息转化或复制的光敏材料。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述位移台为三轴位移台，所述三轴位移台通过X轴和Y轴位移将下一光刻单元移位至所述曝光光路中，并经所述三轴位移台通过Z轴位移调校以使得当前光刻单元与所述模板之间的间距与所保存的上一光刻单元与所述模板之间的间距之间的误差处于设定阈值范围内；

其中，所述掩膜板与模板被调校为垂直于Z轴光路。

8.根据权利要求1至3任一所述的光学系统，其特征在于，所述对齐版到所述样品基片之间的光程与所述样品基片到所述图像采集装置之间的光程相等。

9.根据权利要求1至3任一所述的光学系统，其特征在于，所述模板通过激光直写或干涉曝光方式对内部材料的排布进行取向以形成相应的偏振信息；其中，当采用线偏光复制的时候，所述模板采用半波片；当采用圆偏光复制的时候，所述模板采用1/4波片。