CN114924466A - 一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法，该方法设计光源模块用以获得线偏振激光束，通过空间光调制器及4f系统调节相位振幅，是得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束能够对目标进行成像，调控样品内的目标模板的灰度矩阵进行光束整形可得不同光斑形状；控制模块用于以像素为单位调制刻写激光的大小；光制造模块根据光斑校正模块的指令切换轴的像素位移；结合菲涅耳定律，高效地对所需要的模板进行自组装，投影物镜将出射光成像到硅片表面。本申请的光刻系统结构简单，实验能量利用率高，无需掩模的纳米加工技术，具有超高分辨率、灵活性强和性能稳定等优势。

Description

一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法

技术领域

本发明涉及激光数字光刻技术领域，更具体地，涉及一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法。

背景技术

随着光刻曝光技术的不断发展，其加工线条的最小特征尺寸越来越小，对掩模板的精度要求也越来越高。掩模板制作复杂、周期长、费用昂贵，一旦加工完成，就无法修改，这些缺陷已经严重限制了掩膜式光刻曝光的应用。激光投影光刻系统由于其光能利用率高、响应时间短、成本低等优点得到越来越广泛的应用。为了使基于激光直写的光刻装置能够达到足够小的光刻分辨率的结果，需要引入计算光刻的光刻方法到投影光刻装置中，如移相掩模技术、光学临近效应修正技术等分辨率增强技术。此类技术是通过光波相位的调制来改善光学成像对比度和焦深从而达到增强光刻分辨的功能，而把这类技术应用到基于空间光调制器调控部分相干光的光刻装置中时，需要对空间光调制器上的位相进行调制，使得其入射与反射光皆为平行光。

传统方法是通过光波相位的调制来改善光学成像对比度和焦深从而达到增强光刻分辨的功能，而把这类方法应用到基于空间光调制器调控部分相干光的光刻装置中时，需要对空间光调制器上的位相进行调制，使得其入射与反射光皆为平行光。

由于激光器出射的激光存在位相不平整以及发散角的问题，因此需要引入自由曲面来对光波相位进行平整化变换。而且所得目标图不均匀，存在串扰。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法，主要操控部分相干光束在通过空间光调制器的相位振幅变化对光束进行整形，透镜衍射传输后实现成像，对所需要的目标图案强度进行成像，在远场投影光刻，得到目标模块元件。

实现本发明目的的技术方案为：第一方面，本发明提供一种高精度无掩膜激光投影光刻系统，包括光源模块、整形模块、光斑校正模块、控制模块和光制造模块；

所述光源模块包括开关控制器和扩束传输模块，用以获得一束线偏振激光束；

所述整形模块包括空间光调制器以及薄透镜、小孔光阑和薄透镜组成的4f系统，获得一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；

所述光斑校正模块包括光束分析仪，用于采集光斑大小，图像以像素为单位进行调制光刻激光分析；

所述控制模块根据光斑校正模块分析结果对光制造模块位移台进行联动控制；

所述光制造模块包括显微物镜和位移台，根据光斑校正模块的指令切换轴的像素位移。

在其中的一个实施例中，所述整形模块在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：

具有该二阶统计特性的光束在通过透镜传输后实现对光刻胶筑成的凹槽引导模板进行自组装形成周期性线条结构，并得到纳米线阵列；在远场处产生所需要的模板光强分布；其中C为归一化系数，r₁＝(x₁,y₁)、r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，

是初始高斯光强，σ是光束束腰宽度；δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场模板光强上各像素点之间的距离， N和M控制成像图像的像素的个数，M_c＝2M+1；N_c＝2N+1，m₁和n₁分别从0到M_c和N_c，代表所求模板的像素信息，F<M_c,N_c>代表成像模板强度灰度矩阵，控制凹槽处模板的分辨率。

在其中的一个实施例中，光束整形调控是根据模式展开进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，展开系数为：

其中，v_pq＝(v_p,v_q)表示随机变量；将图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。

在其中的一个实施例中，所述整形模块包括SLM和4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光光束。

在其中的一个实施例中，所述整形模块中小孔光阑位于所述相位调制模块的输出侧，且所述小孔光阑覆盖所述相位调制模块输出的0级衍射光的范围。

在其中的一个实施例中，所述光制造模块中，显微物镜位于所述光束控制模块与位移台之间，位移台用于承载样品、并跟踪所述开关控制器的状态，同步切换XY轴的像素位移。

第二方面，本发明提供一种高精度无掩膜激光投影光刻方法，包括以下步骤：

通过光源模块获得线偏振激光束，经空间光调制器及4f系统调节相位振幅，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，调控样品内的目标模板的灰度矩阵进行光束整形可得不同光斑形状；控制模块以像素为单位调制刻写激光的大小；光制造模块根据光斑校正模块的指令切换轴的像素位移，投影物镜将出射光成像到硅片表面。

在其中的一个实施例中，光源模块中，氦氖激光器发出刻写的激光束，经过一个扩束镜，再经过线偏器，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜。

在其中的一个实施例中，经过反射镜后的线偏振光束照射到空间光调制器上，经空间光调制器上的光束已是整形后的光束，一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干调制光束经过薄透镜、小孔光阑、薄透镜组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束为能够对目标进行成像的部分相干光束。

在其中的一个实施例中，产生的部分相干光束经过一个聚焦透镜进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，将透镜的激光光斑进行压缩，然后将光束分析仪连接计算机在聚焦透镜的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，得到所需要的目标强度成像图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：由于通常的样品光刻面上各像素点的三维结构各异，本发明光束带有图案信息，激光通过反射镜照射到空间光调制器上，可以便利地调控产生部分相干光束的相干性，光束的光斑大小可以通过扩束镜的放大倍数和设置的参数来控制，光斑大小决定刻写元件的精度；本发明通过控制部分相干光束交叉谱密度函数中的相干参数δ，间距参数a以及成像目标强度灰度矩阵F〈M_c,N_c>，利用空间光调制器连续播放不同的全息片，可简便的得到产生需要的可调制的部分相干光束，进而在远场处对所需要的目标进行成像，激光刻写在基体上；本发明克服了能量利用率低的问题，无掩膜(作用面积大)精度高，无需工作台稳定性高，而且可对模块基体实现连续直刻，工作效率较高。

附图说明

图1是本发明实施例公开的实现一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法的结构框图。

图2是本发明的一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法的光源模块至光斑校正实验装置示意图。

图中：7-激光器，8-扩束镜，9-线偏器，10-反射镜，11-空间光调制器，12-薄透镜，13-小孔光阑，14-薄透镜，15-聚焦透镜，16-光束分析仪。

图3是部分相干刻写激光实现光束整形理论模拟图。

图4是部分相干刻写激光实现光束整形实验模拟图。

具体实施方式

调控部分相干光束的二阶关联特性可用交叉谱密度函数表征。有关部分相干光场调控刻写激光投影光刻方面的研究很少，为了克服目标成像中的噪声以及质量问题，我们这里将部分相干场表示为互不相关的完全相干场叠加，通过调控交叉谱密度函数中的相关参数以及目标强度灰度矩阵，在远场处对所需要的模板强度进行成像，即无需掩膜可得到想要的元件。实验上通过将交叉谱密度函数离散化表示为不同模式的非相干叠加的形式，在空间光调制器上连续播放不同的全息图，其中每张全息图都携带着不同的随机相位，以便来实现不同模式的非相干叠加，而且解决了现有技术中的不足和缺点。本发明的目的在于提供了一种高精度无掩膜激光投影光刻系统及方法，能改变刻写激光的形状。实验装置非常简单便捷，并且实验能量利用率较高，无掩膜(作用面积大)精度高，而且可对光栅基体实现连续直刻，工作效率较高，具有非常实用的价值。

如图1所示，本发明提供一种高精度无掩膜激光投影光刻系统，包括光源模块、整形模块3、光斑校正模块4、控制模块5和光制造模块6；

所述光源模块包括开关控制器1和扩束传输模块2，扩束传输2包括扩束镜、线偏振片、反射镜，用以获得一束线偏振激光束；

整形模块3包括空间光调制器SLM(或者数字微镜器件DMD)及薄透镜、小孔光阑和薄透镜组成的4f系统，获得一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；且通过准直匀化实现多种模式，空间光调制器用以获得所需元件形状的具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；

光斑校正模块4，包括光束分析仪CCD采集光斑大小，图像以像素为单位进行调制光刻激光分析。

控制模块5，根据校正模块分析结果对所述光制造模块位移台进行联动控制；

光制造模块6，包括显微物镜和位移台，投影物镜决定了此光刻系统的分辨率。

所述整形模块3需要的理论光束模型是在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：

具有该二阶统计特性的光束可在通过透镜传输后实现对光刻胶筑成的凹槽引导模板进行自组装形成周期性线条结构，并得到纳米线阵列；在远场处产生所需要的模板光强分布；其中C为归一化系数,r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，

是初始高斯光强，σ是光束束腰宽度，当σ很大时，可等效于平面波入射。δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场模板光强上各像素点之间的距离，N和M控制成像图像的像素的个数， M_c＝2M+1；N_c＝2N+1，m₁和n₁分别从0到M_c和N_c，代表所求模板的像素信息， F<M_c,N_c>代表成像模板强度灰度矩阵，控制着凹槽处模板的分辨率；通过调控N、M和 a，理论上可以在样品内实现大面积无串扰的目标模板，即光斑数目可以很多并且很密集，且各个光斑之间也不会产生干涉串扰；选择不同的参数，可以灵活的调控远场处所需的成像目标光强分布，即调控光斑之间的距离。

式(1)描述的光束经过一个光学系统后，其在透镜焦场处的交叉谱密度函数表达式可由傍轴传输衍射积分表示，再令ρ₁＝ρ₂＝ρ，可得到其在透镜焦场处的光强度分布：

其中，有如下的参数代换：

其中ρ＝(ρ_x,ρ_y)是接收面上位置矢量，z代表部分相干光束的传输距离，当z＝f时，光束传播到透镜的焦点位置，也就是相当于远场。通过(2)式可以计算得到光束通过透镜传输后在透镜焦点处的强度分布，即在远场处实现对整形光束后的图像信息控制。本技术方案根据非成像光学设计理论，并利用能量映射原理，计算传输前后自由曲面中每一个点坐标的像素信息，从而得到空间光强度匀化系统。

所述整形模块3对光束整形调控是根据模式展开进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，为了确保所有模式都是互相无关的，需要足够多的具有随机相位的全息图，可根据实际情况适当减少加载的全息片数量。展开系数为

其中，v_pq＝(v_p,v_q)表示随机变量。把图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，将灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。利用光的相干性，抵消部分的衍射扩展效应，改变空间光强分布，实现了这种不同模式之间的非相干叠加，将这些全息图以时间放映的形式加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可近似得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构，实现光束整形。

所述刻写激光带有模件图案信息，所述可见光经所述显微物镜射向样品并且和用于校正光斑大小的所述光斑校正模块进行分析比较。该光斑校正模块包括CCD摄像机以及对所述CCD摄像机所采集光斑大小图像以像素为单位进行调制光刻激光分析，进而根据分析结果对所述位移台进行联动控制。所述光制造模块包括显微物镜和位移台，显微物镜位于所述光束控制模块与位移台之间。所述投影光刻物镜受空间光调制器尺寸限制，其曝光视场较小但要求结构紧凑，投影物镜的物像共轭距较小，且投影物镜多采用低数值孔径1倍左右的放大倍率设计；所述位移台，用于承载样品、并跟踪所述开关控制器的状态同步切换XY轴的像素位移。

结合图2，本发明还提供一种实现高精度无掩膜激光投影光刻方法，包括以下步骤：

所述光源模块中，开关控制器1包括：

步骤1：首先氦氖激光器7(波长405nm，功率400mW)发出刻写的激光束；

扩束传输2包括：

经过一个扩束镜8，再经过一线偏器9，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜10；

所述整形模块3：

步骤2：线偏振光束照射到空间光调制器11上，经DMD空间光调制器(德国 ViALUXV系列USB3.0速数据传输接口，板载内存可存储17万张1bit二值图形数据，超高分辨率2560x1600,超高速：图形数据从读取到显示过程延时小于1500μs，非实时图形刷新速率高达22.272kHz)上的光束已是整形后的光束，一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束。产生的部分相干调制光束经过薄透镜12，小孔光阑13，薄透镜14组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束就是能够对目标进行成像的部分相干光束，其中此4f滤波系统也可以用一个光阑代替；

所述光斑校正模块4包括：

步骤3：产生的部分相干光束经过一个聚焦透镜15进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，将透镜的激光光斑进行压缩，然后将光束分析仪16连接计算机在聚焦透镜15的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，便可得到所需要的目标强度成像图像。该像素值可以取像素的灰度值，也可以取RGB的分量。通常像素值的取值范围为[0,255]；

所述控制模块5中包括：

步骤4：根据校正模块分析结果对所述光制造模块位移台进行联动控制；

所述光制造模块6中包括：

步骤5：显微物镜，位于所述偏振控制模块与位移台之间，所述刻写可见光经所述显微物镜射向样品，满足其成像设计要求；所述位移台，用于承载样品、并跟踪所述开关控制器的状态同步切换XY轴的像素位移，透射的带有图像的光刻激光照射在光制造模块进行激光刻写。

该方法首先在源平面产生具有特殊结构的部分相干光束，该光束可整形，经本发明的设计方法能够对出射的刻写光进行整形、准直、匀化，其光斑形状能够准确匹配模块的形状，能够对一系列分别率增强技术的应用提供便利的设备环境，便于光学系统的装配，减少装配空间。具有该结构的光束可以通过透镜传输后能够实现成像，从而在远场处对所需要的目标强度进行投影光刻。

下面结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例

如图1所示，本发明提出的一种高精度无掩膜激光投影光刻系统，图2是光源模块至光斑校正实验装置示意图。首先激光器7发出的激光束，经过一个扩束镜8，再经过一线偏器9，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜10，使得光束照射到空间光调制器11上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；然后产生的部分相干光束经过薄透镜12，小孔光阑13，薄透镜14组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束就是能够对目标进行成像的部分相干光束，其中此4f滤波系统也可以用一个光阑代替；产生的部分相干光束经过一个聚焦薄透镜15进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，然后光束分析仪16连接计算机在薄透镜 15的焦点处，便可得到所需要的目标强度成像图像的模板元件，计算其分辨率。光斑校正模块中CCD摄像机所采集光斑大小图像以像素为单位进行调制光刻激光分析，进而根据分析结果对所述光制造模块位移台进行联动控制，将控制模块转接到光制造模块，进行激光投影光刻制造模件。

其中薄透镜12的焦距和薄透镜14焦距一样，150mm，薄透镜15焦距为100mm。

如图3所示，为部分相干光成像模拟图，图4为实验所得图，用光束分析仪16拍下。参数选取：λ＝632.8nm，f＝100mm，σ＝0.68mm，δ＝5mm，a＝1.5mm， M＝N＝200，对比两图发现理论上在远场处可以得到高质量鲁棒的部分相干成像图形，即得到理想的高精度光刻元件。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，包括光源模块、整形模块、光斑校正模块、控制模块和光制造模块；

所述光源模块包括开关控制器和扩束传输模块，用于获得一束线偏振激光束；

所述整形模块包括空间光调制器以及薄透镜、小孔光阑和薄透镜组成的4f系统，用于获得一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；

所述光斑校正模块包括光束分析仪，用于采集光斑大小，图像以像素为单位进行调制光刻激光分析；

所述控制模块根据光斑校正模块分析结果对光制造模块位移台进行联动控制；

所述光制造模块包括显微物镜和位移台，根据光斑校正模块的指令切换轴的像素位移。

2.根据权利要求1所述的高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，所述整形模块在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：

具有该二阶统计特性的光束在通过透镜传输后实现对光刻胶筑成的凹槽引导模板进行自组装形成周期性线条结构，并得到纳米线阵列；在远场处产生所需要的模板光强分布；其中C为归一化系数，r₁＝(x₁,y₁)、r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，

是初始高斯光强，σ是光束束腰宽度；δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场模板光强上各像素点之间的距离，N和M控制成像图像的像素的个数，M_c＝2M+1；N_c＝2N+1，m₁和n₁分别从0到M_c和N_c，代表所求模板的像素信息，F<M_c,N_c>代表成像模板强度灰度矩阵，控制凹槽处模板的分辨率。

3.根据权利要求2所述的高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，光束整形调控是根据模式展开进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，展开系数为：

其中，v_pq＝(v_p,v_q)表示随机变量；将图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。

4.根据权利要求1所述的高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，所述整形模块包括SLM和4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光光束。

5.根据权利要求4所述的高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，所述整形模块中小孔光阑位于所述相位调制模块的输出侧，且所述小孔光阑覆盖所述相位调制模块输出的0级衍射光的范围。

6.根据权利要求1所述的高精度无掩膜激光投影光刻系统，其特征在于，所述光制造模块中，显微物镜位于所述光束控制模块与位移台之间，位移台用于承载样品、并跟踪所述开关控制器的状态，同步切换XY轴的像素位移。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述光刻系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过光源模块获得线偏振激光束，经空间光调制器及4f系统调节相位振幅，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，调控样品内的目标模板的灰度矩阵进行光束整形可得不同光斑形状；控制模块以像素为单位调制刻写激光的大小；光制造模块根据光斑校正模块的指令切换轴的像素位移，投影物镜将出射光成像到硅片表面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，光源模块中，氦氖激光器发出刻写的激光束，经过一个扩束镜，再经过线偏器，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，经过反射镜后的线偏振光束照射到空间光调制器上，经空间光调制器上的光束已是整形后的光束，一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干调制光束经过薄透镜、小孔光阑、薄透镜组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束为能够对目标进行成像的部分相干光束。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，产生的部分相干光束经过一个聚焦透镜进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，将透镜的激光光斑进行压缩，然后将光束分析仪连接计算机在聚焦透镜的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，得到所需要的目标强度成像图像。

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