CN114488715A - 一种光纤阵列光刻机 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提出一种光纤阵列光刻机，其包括控制装置、光纤传输装置、光聚焦阵列以及电驱动工件台，还包括光刻光源、退激发光源、第一级分光阵列、电光调制阵列以及第二级分光阵列，所述控制装置与所述电光调制阵列以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制阵列对于所述激光光源发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工作台进行运动。本公开实施例避免采用复数个光学透镜或透镜组，从而实现更为简单的光路，制造和维护成本都大大降低；采用多根光纤构成光纤束，实行多光束并行曝光，能够提高光刻效率；采用电光调制阵列实现对光刻的激光光能的开关并结合电驱动工作台的移动，实现光刻的高速图案化功能，采用退激发光和光刻光结合实现光学衍射极限的超分辨光刻。

Description

一种光纤阵列光刻机

技术领域

本公开涉及一种芯片或者集成电路的制造领域，尤其涉及一种光纤阵列光刻机。

背景技术

光刻机是利用紫光或紫外光的光子照射涂覆在晶圆或试样表面的光刻胶(感光胶)使光刻胶分子大小产生变化得到其在特定溶剂中的溶解度产生一定的对比度。利用该溶剂对晶圆/试样表面上涂覆的经过选择性曝光的光刻胶进行显影形成图案。光刻机是芯片生产线的核心装备，曝光光刻胶后能得到的最小线宽是光刻机的最重要指标和代表芯片产线的先进程度。一条最先进的芯片产线，通常根据晶体管集成度高低和芯片布线要求，在其晶体管制造工艺(前道)和晶体管间互联工艺(后道)分别配置1台或多台各种不同加工精度的光刻机。

光刻机按光刻胶上形成图案的方式分为两大类。第一类是把强度分布均匀的光斑，通过具有透明和不透明区域图案的光刻掩模板后在光刻胶上形成与掩模板图案高度保真的像。这类光刻机广泛用于半导体的生产线上。第二类光刻机是利用一束聚焦后的光在感光胶上扫描需要曝光的区域，或利用空间光调制器对均匀的光斑分区域调制光强形成空间上明暗对比的图案后在感光胶上实现曝光，这类光刻机因不需要光刻掩模版被称为无掩模光刻机，前者也叫激光直写，后者也被称为LDI。上述两类光刻机的设计都采用自由空间光学结构，即从光源发出的光到达光刻胶表面的过程中，光线都裸露在空气或真空中。此外，受到光衍射原理限制，结合多种提高分辨率的技术后光刻的分辨率达到曝光波长的1/4左右。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种光纤阵列光刻机，以解决现有技术中的问题。

一方面，本公开提供一种光纤阵列光刻机，其包括控制装置、光纤传输装置、光聚焦阵列以及电驱动工件台，还包括光刻光源、退激发光源、第一级分光阵列、电光调制阵列以及第二级分光阵列，其中，所述光刻光源和所述退激发光源分别发射波长不同的曝光高斯光束和退激发高斯光束，所述控制装置与所述电光调制阵列以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制阵列对于所述激光光源发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工作台进行运动。

在一些实施例中，所述控制装置用于将所述设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据，基于所述光刻数据生成针对所述电光调制器的电光调制信号以及针对所述电驱动控制台的工件台控制信号。

在一些实施例中，所述第一级分光阵列设置在所述激光光源和所述电光调制阵列之间，其包括第一分光器和n个第一级光通道，所述第一级分光阵列用于将所述激光光源发射的激光通过所述第一分光器均匀地分配到n个所述第一级光通道中，n个所述第一级光通道以光纤耦合器方式输出光刻光。

在一些实施例中，所述电光调制阵列包括形成阵列的n个调制通道，所述调制通道与所述第一级光通道对应耦合，在每个所述调制通道中设置对应的调制器，每个所述调制器对应并控制和调制对应的所述第一级光通道输出的光刻光。

在一些实施例中，所述第二级分光阵列设置在所述电光调制阵列和所述光纤传输装置之间，其包括第二分光器和c个第二级光通道，所述第二级分光阵列将所述电光调制阵列的n个所述调制通道中每个所述调制通道输出的光刻光脉冲均匀地分配到c个所述第二级光通道中，c个所述第二级光通道以光纤耦合器方式输出光刻光脉冲。

在一些实施例中，所述光纤传输装置是光刻用光纤束，其能够至少接收波长不同的曝光高斯光束和退激发高斯光束，所述光刻用光纤束包括c个子光纤束，每个所述子光纤束包括n根光纤，每根所述光纤包括用于传输光束的光纤芯，在所述光纤芯的外侧包围设置光纤包层，在所述光纤芯的入射端处设置螺旋相位结构，在所述光纤芯的出射端的外侧设置透镜结构。

在一些实施例中，所述曝光高斯光束是紫外光，所述退激发高斯光束是激光光束，曝光时，所述退激发光束转变成甜甜圈形状的结构光束，所述曝光高斯光束位于甜甜圈形状的结构光束的光强最弱的内圆中。

在一些实施例中，所述光聚焦阵列是能够与所述光纤传输装置相耦合的光纤透镜。

在一些实施例中，所述电驱动工件台包括多个驱动装置以实现光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的定位和控制，其中，X轴和Y轴位于所述光聚焦阵列实现光信号聚焦的焦平面上，Z轴是沿与该焦平面垂直的方向

本公开实施例通过采用光纤将激光光源和光聚焦阵列实现连接，避免自由空间发射激光的光学光刻机在设计和生产上采用复数个光学透镜或透镜组的困难，从而实现更为简单的光路，制造和维护成本都大大降低；采用多根光纤构成光纤束，实行多光束并行曝光，提高光刻效率；采用电光调制阵列实现对光刻的激光光能的开关并结合电驱动工作台的移动，实现光刻的高速图案化功能。本公开实施的光刻机，因为高斯型的曝光光束位于甜甜圈形状的结构光的光强最弱的内圆中，还可以实现超分辨光刻功能。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例的光纤阵列光刻机的系统示意图；

图2为本公开实施例的光纤阵列光刻机中第一级分光阵列的结构示意图；

图3为本公开实施例的光纤阵列光刻机中电光调制阵列的结构示意图；

图4为本公开实施例的光纤阵列光刻机中第二级分光阵列的结构示意图；

图5为本公开实施例的光纤阵列光刻机中光刻用光纤束的结构示意图；

图6为本公开实施例的光纤阵列光刻机中光线聚焦阵列的结构示意图；

图7为本公开实施例的光纤阵列光刻机中控制装置的模块示意图。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开实施例涉及一种光纤阵列光刻机，其用于基于预先设置的用于光刻的设计版图在晶圆等光刻材料上通过曝光的方式实现光刻操作。如图1所示，图1示出了所述光纤阵列光刻机的结构示意图，所述光纤阵列光刻机包括控制装置1、光刻光源2a、退激发光源2b、第一级分光阵列3、电光调制阵列4、第二级分光阵列5、光纤传输装置6、光纤聚焦阵列7以及电驱动工件台8；这里的所述光刻材料例如是晶圆或者其他材料，所述晶圆设置在所述电驱动工件台8上，通过采用旋涂、喷胶或其它工艺在所述晶圆上涂覆光刻胶。

所述光刻光源2a和所述退激发光源2b分别用于向位于所述电驱动工作台8上的所述光刻材料发射曝光高斯光束和退激发高斯光束，以基于预先设计的设计版图实现突破光学衍射极限的超分辨光刻；其中，所述控制装置1与所述电光调制阵列4以及所述电驱动工件台8连接，其分别用所述设计版图控制所述电光调制阵列4对所述曝光高斯光束进行调制，从而得到匹配的曝光光脉冲以，以及控制所述电驱动工件台8实现运动/移动，这样，经过调制的激光脉冲能够针对设置在所述电驱动工件台8上的所述光刻材料实现曝光以完成光刻操作。

具体地，如上所述，所述控制装置1分别用于基于所述设计版图控制所述电光调制阵列4对于所述曝光光源2a发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工件台8进行运动；其中，所述控制装置1可以采用人机界面的方式进行控制。首先，例如通过图形软件设计出符合目标功能的集成电路/芯片的设计版图，或者基于第三方设计软件输入以上符合要求的集成电路的设计版图，并把所述设计版图按照加工工艺分解成多层的曝光图案，基于每层的曝光图案并根据光刻胶的类型(例如正胶或负胶、光刻胶的曝光感度)将曝光参数转换为光刻数据，这里的所述光刻数据是指针对所述光刻材料与实现曝光相关的数据，最后基于所述光刻数据生成针对所述电光调制阵列4的电光调制信号11以及针对所述电驱动工件台8的工件台控制信号12。

进一步地，所述控制装置1基于所述电光调制信号11对所述曝光光源2a发射的激光进行调制，从而得到与所述光刻操作所需要的宽度匹配的激光脉冲；所述控制装置1通过所述工件台控制信号12控制所述电驱动工件台8进行运动以移动到每次的曝光点位置从而实现曝光操作。这样，所述控制装置1能够通过所述电光调制信号11和所述工件台控制信号12同步控制所述电光调制阵列4和所述电驱动工件台8，从而实现在设置在所述电驱动工作台8上的所述光刻材料上的光刻胶上执行曝光操作，最终实现精密的光刻功能。

其中，如图7所示，所述控制装置1基于例如通过所述设计版图获取所述光刻材料需要的与曝光相关的数据，并通过将与曝光相关的数据通过DAC模块或者ADC模块分解为驱动装置控制数据和对应的电光调制数据，其中，所述驱动装置控制数据至少包括为满足光刻工艺需要的晶圆等光刻材料上所有曝光位置和不需要曝光位置的位置信息、每个曝光位置和不需要曝光位置的位置对应的所述电驱动工件台8上所述晶圆的位置的定位信息和驱动装置的移动控制数据；所述电光调制数据至少包括对应于每个曝光位置和不需要曝光位置的电压信号信息和脉冲宽度信息。其中，所述电光调制信号11以及所述工件台控制信号12分别基于驱动装置控制数据和对应的电光调制数据形成。

特别地，光刻用的光纤的功能是利用入射端的螺旋相位板把退激发激光转变成甜甜圈形状的连续结构光而不影响高斯型光刻光脉冲；在光纤内，甜甜圈形状的退激发光和高斯型光刻光脉冲实现同轴传播；在光刻用光纤的出射端的透镜结构把高斯型光刻光脉冲聚焦到光刻焦平面上而不影响连续退激发光的甜甜圈形状；这样在光刻焦平面上，曝光高斯光束位于甜甜圈形状的结构光的光强最弱的内圆中，实现超分辨光刻。

下面分别详细介绍所述光纤阵列光刻机中的各部件。

所述光刻光源2发射的所述曝光高斯光束11主要用于曝光操作，其可以是普通的紫外光，这里的所述紫外光的波长例如可以在193-405nm范围内，优选地在355nm-405nm的波长范围内，所述退激发高斯光束12为相干光，例如可以是激光光束，这里的所述退激发光源2b发射的所述退激发高斯光束12的波长范围可以在550-1500nm范围内，当然这里的两种高斯光束的种类和波长不限于此。在一个实施方式中，这里的用于发射光刻光束的所述光刻光源2a可以包括电源以及激光器，这里的所述激光光源可以采用多种激光器，例如固体激光器、半导体激光器或气体激光器，也可以是多个相同或者不同的激光器组成的激光器阵列，发射激光的功率可以在1mW到1kW的范围内，这里优选地采用能够以光纤输出方式发射激光的激光器，以便于与后面的后述装置中对应的光通道耦合。

进一步地，如果所述光刻光源2a采用向自由空间发射的方式的激光器，所述光刻光源2a还可以包括光纤聚焦阵列，经过所述光纤聚焦阵列聚焦后的光斑可以直接耦合到后面对应的光通道。

如图2所示，所述第一级分光阵列3设置在光源和所述电光调制阵列4之间，其包括第一分光器31和n个第一级光通道32，其中，所述第一级分光阵列3用于将所述光刻光源2a和所述退激发光源2b发射的激光通过所述第一分光器31均匀地分配到n个所述第一级光通道32中，这n个所述第一级光通道32以光纤耦合器方式输出光刻光，从而使得之后光刻光和退激发光的强度都能够分别均匀地分布在所述光纤传输装置6的n根光纤中。这里的所述第一分光器31可以采用分光镜、反射镜等分离光学元件，也可以采用集成光波导管来实现。

进一步地，这里的所述电光调制阵列4包括高频电信号发生器，所述高频电信号发生器通过接收所述控制装置1发送的所述电光调制信号11，其产生的电脉冲根据需要可以经过放大后或不放大，但是最后能通过电光调制方式调整光波导的两臂的光相位，以形成具有目标宽度的曝光光脉冲，从而直接输入到后面的第二级分光阵列5中。

如图3所示，所述电光调制阵列4包括形成阵列的n个调制通道41，所述调制通道41与所述第一级光通道32对应耦合，在每个所述调制通道41中设置对应的调制器42，每个所述调制器42对应并控制和调制对应的所述第一级光通道32输出的激光。在每个所述调制通道41中，对应的所述调制器42基于所述电光调制信号11把曝光激光调制成对应的曝光脉冲宽度，但度退激发光不进行调制。其中，所述调制通道41可以是光纤，这里的每个所述调制通道41和对应的所述调制器42可以是相互分离设置，所述调制通道41还可以是光波导管，这样也可以将调制器和光波导管集成设置。

如图4所示，所述第二级分光阵列5设置在所述电光调制阵列4和所述光纤传输装置6之间，其包括第二分光器51和c个第二级光通道52，其中，这里的所述第二级分光阵列5将所述电光调制阵列4的n个所述调制通道41中每个所述调制通道41输出的光刻光脉冲和未调制的退激发光均匀地分配到c个所述第二级光通道52中，这c个所述第二级光通道52以光纤耦合器方式输出同轴的光刻光脉冲和连续的退激发激光，这样，所述第二级分光阵列5共输出n*c双束光，每根光纤有对应的曝光光脉冲和退激发光,使得之后光刻光和退激发光的强度能够分别均匀地分布在n*c根光纤中。这里的所述第二分光器52可以采用分光光镜、反射镜等分离光学元件，也可以采用集成光波导管来实现。

这里的所述光纤传输装置6是指用于传输经过调制的光信号的光纤，用于接收经过所述电光调制阵列4调制后并通过所述第二级分光阵列5输出的光强度脉冲的，这里的所述光纤可以采用单膜或多模光纤，其材质可以采用有机光纤或石英光纤制成，这里优选采用单模石英光纤。所述光纤传输装置6输出的光脉冲信号以用于实现曝光。

所述光纤传输装置6可以是光刻用光纤束，所述光刻用光纤束能够将用于光刻的光束从发光源直接传输到需要曝光的光刻胶表面以便于后期的光刻。所述光纤传输装置6可以是光刻用光纤束，所述光刻用光纤束包括与所述晶圆上待生产芯片数量c相同的c个子光纤束，每个所述子光纤束包括n根光纤，每根所述光刻光纤能够接收经过空间光学耦合的至少两束波长不同的高斯型曝光光脉冲1和退激发光束。

如图5所示，所述光刻光纤包括用于传输光束的光纤芯22，在所述光纤芯22的外侧包围设置光纤包层21；这里的所述光纤芯22和所述光纤包层21可以采用适合的例如对193nm-2um波长范围的光束的吸收系数小的任意材料制成。其中，这里的所述光纤芯22可以采用掺杂的石英材料制成，优选地，所述光纤芯22采用CaF2或掺杂的CaF2制成，这里的所述光纤包层21可以采用非掺杂的石英材料制成，优选地，所述光纤包层21采用石英或CaF2材料制成。

其中，为了保证两种高斯光束的传输，所述光纤芯22的直径在0.5um到10um之间，所述光纤包层21的外径在15um-100um之间。这里的所述光纤芯22能够针对用于曝光的所述曝光高斯光束11的波长和所述退激发高斯光束12的波长能够同时实现单模传播或者至少对所述曝光高斯光束11实现单模传播。此外，所述光纤包层21和所述光纤芯22的光折射系数具有一定差别，具体地，所述光纤包层21和所述光纤芯22的光折射系数之间的所述差别在0.01到0.2之间，以便于高斯光束在所述光纤芯22中的传输。

进一步地，在所述光纤芯22的入射端处设置螺旋相位结构23，所述螺旋相位结构23的功能在于其使得退激发光波长上所述退激发高斯光束12转变成甜甜圈状的退激发结构光光束14，而不影响所述高斯型曝光光脉冲11，因此曝光脉冲能够保持以高斯光束的方式传输到光刻胶表面。

这里的所述螺旋相位结构23可以采用微纳米加工技术制成；其中，所述螺旋相位结构23可以采用螺旋相位板的形式，具体地，可以是在所述光纤芯22的轴线上沿所述光纤包层21的端面的天体角方向，设置具有不同刻蚀深度的螺旋相位板，这里的所述螺旋相位板可以利用FIB等加工技术制成，具体地，可以在所述光纤包层21的入射端位置处，也就是在所述光纤芯22的端面上沿轴线方向形成有若干个不同的扇形区，所述光纤芯22材料在每个扇形区内被刻蚀的高度不同，从而形成螺旋结构；当然，所述螺旋相位结构23还可以是在所述光纤包层21的入射端位置处，将所述光纤芯22的端面处加工成满足螺旋相位要求的并且可在曝光波长上实现聚焦的超表面结构，具体地，可以在所述光纤芯22的端面上形成若干个不同的扇形区，每个扇形区内的所述光纤芯22的表面具有不同的二维超表面结构。这里，无论是采用螺旋相位板的形式还是二维超表面结构的形式都能够直接把例如激光的所述退激发高斯光束12转换成甜甜圈状的结构光光束14，但不影响曝光光脉冲，确保所述高斯型曝光脉冲11能够直接到达光刻胶的表面。

进一步地，在所述光纤包层21的出射端的外侧设置透镜结构24，所述透镜结构24可以具有弧形外凸的结构，在所述透镜结构24的外侧具有焦平面25，所述透镜结构24用于使所述高斯型曝光光脉冲11在所述透镜结构24的所述焦平面25上形成高度聚焦的束斑，但不影响甜甜圈形状的退激发光。这里的所述透镜结构24例如可以是用于光纤曝光的聚焦透镜；具体地，所述透镜结构24可以是采用化学刻蚀法等在所述光纤芯22的端面上形成光纤透镜，也可以是采用例如微纳加工技术在所述光纤包层21的端面上形成的超表面透镜。

由于所述光刻用光纤束是多根所述光刻光纤的集合体，当所述光刻用光纤束包括多根所述光刻光纤的情况下，所有所述光刻光纤中的所述螺旋相位结构23构成一个阵列，所有所述光刻光纤中的所述透镜结构24构成一个阵列，这样能够利用多根所述光刻光纤形成的所述光刻用光纤束进行多束光刻，可以进一步地提高曝光的速率。

当经过空间光学耦合将两束波长不同的高斯光束耦合进所述光刻光纤时，位于所述光纤芯22的端面的所述螺旋相位结构23把所述退激发高斯光束12的光束转换成甜甜圈状的结构光光束14，通过所述光纤芯22同轴传输甜甜圈状的所述退激发高斯光束12和所述高斯型曝光光脉冲11至所述光纤芯22的另一端面，位于该另一端面上的所述透镜结构24将所述高斯型曝光光脉冲11在所述透镜结构的所述焦平面25上形成聚焦的光刻光束13，而不影响退激发光的甜甜圈结构。并且，在所述焦平面25上的甜甜圈状的所述结构光光束14和聚焦的所述光刻光脉冲13保持同光轴重合，及高斯束13始终位于甜甜圈形状的结构光内光强最弱的内圆里。这样通过调节退激发光的强度可以有效较小内圆的半径，限制里面高斯型曝光脉冲能实现光刻的范围，实现超分辨光刻。

这样，当涂有光刻胶的晶圆设置在所述焦平面25上时，通过调节聚焦所述光刻光束13的曝光时间和能量，并且通过调节所述退激发光14的强度能实现控制所述退激发高斯光束12形成的所述结构光光束14的甜甜圈内空心结构的大小。具体地，当所述退激发高斯光束12的强度能够保障甜甜圈状结构的有效退激发直径减小以限制所述光刻光束13能曝光的尺寸，突破衍射极限以实现超分辨光刻的效果。

在一个具体的实施方式中，本公开实施例的所述光刻光纤可以通过以下方式制成：首先，选择适合的对于193nm-2um波长范围的吸收系数小的材料，如SiO2和CaF2等，通过掺杂等技术和光纤制备技术制成所述光纤芯22和所述光纤包层21，所述光刻光纤可以形成满足193nm-2um波长范围的单模光纤，尤其这种单模光纤能够对所述退激发高斯光束12实现单模传输，并且能最大效率地将所述退激发高斯光束12转换为甜甜圈状的结构光光束14。

在位于所述光纤包层21入射端位置的所述光纤芯22的端面上采用微纳加工技术加工形成螺旋相位板，所述螺旋相位板在所述退激发高斯光束12的波长上将高斯型光束转变成甜甜圈状的结构光光束14，这样，例如具有光刻波长的紫外光等的所述高斯型曝光光束11通过所述螺旋相位板后仍然以高斯型光斑在所述光纤芯22传输并最终形成光刻光束13；进一步地，采用化学刻蚀法等在位于所述光纤包层21的出射端位置的所述光纤芯22的端面上制备例如光纤透镜的所述透镜结构24，所述透镜结构24在其所述焦平面25上能够有效地聚焦高斯型的光刻光束，并不会改变在形成甜甜圈状的所述结构光光束14在所述焦平面25上的结构，从而利用至少所述退激发高斯光束12形成的所述结构光光束14和例如紫外光刻光的所述曝光高斯光束11在焦平面15上的光刻胶上形成超分辨的光刻功能。

本公开实施例能够在光源与光刻胶表面之间实现用于光纤同轴传输光刻和退激发的光，其能够将曝光用光能量和限制曝光范围的退激发光能经过光纤直接从光源传递到光刻胶表面，不需要透镜和透镜组，系统易于安装、占据空间小、成本和维护成本也降低；利用单根光纤实现波长不同的至少两束光束的同时和同轴传播，大大降低双光束光刻技术透镜组调节的技术难度。此外，利用光纤端面的相位结构把退激发高斯光束转变成甜甜圈状的结构光，能够实现利用普通紫外光通过STED光刻技术实现20纳米甚至10nm级别的超分辨光刻。

如图6所示，这里的所述光纤聚焦阵列7可以是光纤透镜，其能够与所述光纤传输装置6相耦合，所述光纤聚焦阵列7把n*c根所述光纤在空间上排成与产线上待加工晶圆上c个芯片对应的子光纤束结构，每个所述子光纤束以相同的顺序在对应芯片空间上均匀排布n根光纤，如图6所示，每个所述子光纤束中的n根所述光纤对曝光光脉冲形成一个子焦平面，c个所述子光纤束的子焦平面构成曝光焦平面。

这里的所述电驱动工件台8包括多个驱动装置以实现所述光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的精密定位和控制，这里的所述驱动装置例如可以是电机单元，其中，X轴和Y轴是位于所述光纤聚焦阵列7实现光脉冲聚焦的焦平面上，Z轴在沿与该焦平面垂直的方向。

进一步地，所述电驱动工件台8在Z轴方向上的定位和控制精度为100nm-10um量级。为此，对于Z轴方向上的运动控制可以优选采用步进电机，也可以采用压电电机实现，这里的所述电机单元控制所述电驱动工件台8运动的最大位移量在5mm到50mm之间；

所述电驱动工件台8的在X轴和Y轴方向上的运动分别由两组独立的电机单元控制，每组所述电机单元至少包括步进电机和压电电机，每组所述电机单元的定位精度例如可以由激光干涉器实现，例如利用激光干涉器发射的定位信号和压电电机的驱动信号组成闭环控制信号以控制定位精度，这样，使得位于焦平面内的X轴和Y轴两个轴向的定位和控制精度控制在2nm到1um之间，所述电机单元控制所述电驱动工件台8的运动最大位移量为50mm到320mm。当然，所述电驱动工件台8也可以具有焦平面内的转动和XY面法线偏离聚焦光线的倾斜定位和控制能力。

本公开实施例能够实现例如在晶圆或其他材料等光刻材料的表面形成大面积超分辨光刻的微纳结构，从而满足例如集成电路和其它微纳系统的研究、研发和生产需要。

本公开实施例涉及的所述光纤阵列光刻机例如采用紫外激光光源作为光刻光，通过分光阵列将光刻光传送至所述电光调制阵列中实现对光刻光进行光强度的高速调制，调制的频率可以达到100GHz，并进一步通过分光阵列将曝光光脉冲输送至光纤传输装置中形成多个光纤子束对应多芯片并行，每个光纤子束内多光纤对应于芯片内并行的加工，利用每个光纤内退激发光纤约束曝光光脉冲能曝光的范围，并同步化的电驱动工件台和电光调制，能在涂覆光刻胶的半导体晶圆或其他研发试样上实现高速的大面积的超分辨光刻图形，满足芯片生产的需要。具体地，本公开实施例涉及的所述光纤光刻机通过以下的方案实现光刻功能。

(1)在例如半导体晶圆或其它光刻材料的表面涂覆上具有理想厚度的光刻胶，并经过烘烤等方式将光刻胶固化后将所述光刻材料设置在所述电驱动工件台8上，所述电驱动工件台8通过控制Z轴方向运动的驱动装置实现Z轴方向上的移动和定位，其中，将光刻胶定位在所述光纤聚焦阵列7所形成的焦平面内；通过所述电光调制阵列4调用标定用电光调制脉冲宽度完成每根光纤对应曝光点位的光刻；经显影定影后对每根光纤点位曝光结构与标定图形的偏差，通过控制装置1计算和保存对每根光纤对应的光刻脉冲宽度进行修正的数据库。

(2)在所述控制装置1内置的设计软件上设计芯片或微纳系统版图，或者将通过第三方软件设计得到的设计版图经过转化后导入到所述控制装置1中；其中，所述控制装置1将用芯片或者微纳系统的设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据。

其中，所述控制装置1基于所述设计版图获取光刻操作需要的与实现曝光相关的光刻数据，并将所述光刻数据分解成驱动装置控制数据和对应的电光调制数据，其中，所述驱动装置控制数据至少包括为满足光刻工艺需要的晶圆等光刻材料上所有曝光位置和不需要曝光位置的位置信息、每个位置对应的所述电驱动工件台8上光刻材料的位置的定位和驱动装置的移动控制数据；所述电光调制数据至少包括对应于每个曝光位置和不需要曝光位置的电压信号数据和脉冲宽度数据。

(3)当例如涂覆有光刻材料的晶圆等通过所述电驱动工件台8移动到所述光纤聚焦阵列7的焦平面的位置后，所述控制装置1基于所述工件台控制信号12控制所述电驱动工件台8在X轴和Y轴方向上移动，并把所述光刻材料移动到初始曝光点位置后，根据电光调制数据中每个曝光位置对应的调制电压和脉冲宽度信号，从而基于电光调制信号11调制得到匹配的曝光光脉冲，匹配曝光光脉冲和根据需要调节的甜甜圈形状的退激发光的强度，完成在当前曝光位置的光刻；

所述控制装置1继续控制所述电驱动工件台8在焦平面内移动，把涂覆有光刻材料的半导体晶圆等移动到本次光刻的下一个曝光位置，并执行电光调制数据中对应的电光调制动作。

当所述控制装置1发出的针对所述电光调制阵列4的所述电光调制信号11以及针对所述电驱动控制台8的所述工件台控制信号12依次完成驱动工件台移动和每次移动对应的电光调制实现对每个芯片的曝光位置的曝光后，完成当次光刻。

(4)完成当次光刻的例如晶圆等所述光刻材料通过所述电驱动工件台8退出光纤光刻机后，进入显影、定影后其他的刻蚀或镀膜或离子注入、退火或其他相关工艺后，这样就完成本次光刻操作的所有工艺步骤。

(5)根据芯片或者微纳系统的设计版图或工艺线的实际情况，重复上述(1)-(3)的步骤，即可完成芯片或者微纳系统的光刻工艺。

本公开实施例采用193nm到405nm范围的激光光源作为光刻光，利用电光调制阵列对光刻光进行光强度的开关调制得到曝光光脉冲，调制的频率可以达到100GHz；进一步地由多根光纤构成阵列并行加工，进一步提高曝光产率；利用550nm-1100nm的甜甜圈形状的结构光与现在其结构内圆的光刻光脉冲的能曝光的光刻胶的面积；利用同步化的电驱动工件台和电光调制在涂覆光刻胶的半导体晶圆或其他研发试样上形成高速的大面积的高分辨光刻。尤其，在本实施例中采用光纤阵列实现多束并行光刻，提高光刻机的生产率，每根光纤同轴传输甜甜圈形状的退激发光和高斯型光刻光脉冲实现超分辨光刻。本公开实施例可以从芯片设计的版图直接实现光刻，不需要光刻掩模版，实现芯片的数字化生产。本公开实施例适用于集成电路或其它类似集成微纳系统研究、研发和生产。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种光纤阵列光刻机，其包括控制装置、光纤传输装置、光聚焦阵列以及电驱动工件台，其特征在于，还包括光刻光源、退激发光源、第一级分光阵列、电光调制阵列以及第二级分光阵列，其中，所述光刻光源和所述退激发光源分别发射波长不同的曝光高斯光束和退激发高斯光束，所述控制装置与所述电光调制阵列以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制阵列对于所述激光光源发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工作台进行运动。

2.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述控制装置用于将所述设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据，基于所述光刻数据生成针对所述电光调制器的电光调制信号以及针对所述电驱动控制台的工件台控制信号。

3.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述第一级分光阵列设置在所述激光光源和所述电光调制阵列之间，其包括第一分光器和n个第一级光通道，所述第一级分光阵列用于将所述激光光源发射的激光通过所述第一分光器均匀地分配到n个所述第一级光通道中，n个所述第一级光通道以光纤耦合器方式输出光刻光。

4.根据权利要求3所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述电光调制阵列包括形成阵列的n个调制通道，所述调制通道与所述第一级光通道对应耦合，在每个所述调制通道中设置对应的调制器，每个所述调制器对应并控制和调制对应的所述第一级光通道输出的光刻光。

5.根据权利要求4所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述第二级分光阵列设置在所述电光调制阵列和所述光纤传输装置之间，其包括第二分光器和c个第二级光通道，所述第二级分光阵列将所述电光调制阵列的n个所述调制通道中每个所述调制通道输出的光刻光脉冲均匀地分配到c个所述第二级光通道中，c个所述第二级光通道以光纤耦合器方式输出光刻光脉冲。

6.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述光纤传输装置是光刻用光纤束，其能够至少接收波长不同的曝光高斯光束和退激发高斯光束，所述光刻用光纤束包括c个子光纤束，每个所述子光纤束包括n根光纤，每根所述光纤包括用于传输光束的光纤芯，在所述光纤芯的外侧包围设置光纤包层，在所述光纤芯的入射端处设置螺旋相位结构，在所述光纤芯的出射端的外侧设置透镜结构。

7.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述曝光高斯光束是紫外光，所述退激发高斯光束是激光光束，曝光时，所述退激发光束转变成甜甜圈形状的结构光束，所述曝光高斯光束位于甜甜圈形状的结构光束的光强最弱的内圆中。

8.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述光聚焦阵列是能够与所述光纤传输装置相耦合光纤透镜。

9.根据权利要求1所述的光纤阵列光刻机，其特征在于，所述电驱动工件台包括多个驱动装置以实现光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的定位和控制，其中，X轴和Y轴位于所述光聚焦阵列实现光信号聚焦的焦平面上，Z轴是沿与该焦平面垂直的方向。

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