CN116626997A - 一种高精度数字光刻机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片或集成电路制造技术领域，具体公开了一种高精度数字光刻机，包括曝光系统、放有感光基板的工件台、控制系统和安装在计算机中的版图处理软件系统，曝光系统包括单模光纤耦合的紫外激光器、高精度二维光纤阵列和大数值孔径微透镜阵列，感光基板包括晶圆和具有光热反应功能的涂覆层，具有光热反应功能的涂覆层形成在晶圆的表面，晶圆划分为多个曝光场，单模光纤耦合的紫外激光器、工件台和版图处理软件系统均与控制系统电连接，单模光纤耦合的紫外激光器连接高精度二维光纤阵列，高精度二维光纤阵列的端面与大数值孔径微透镜阵列对准。本发明提供的高精度数字光刻机，能够快速进行大量微小光斑的曝光，兼具高精度线条与高光刻效率。
Description
技术领域
本发明涉及芯片或集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种高精度数字光刻机。
背景技术
传统的光刻机都要使用掩模板。随着光刻线条越来越细，掩模板的制造成本越来越高，制造周期也越来越长，这大大限制了中小型科技企业的创新研发活动，以及小批量、多品种的灵活制造，因此以无掩模光刻为特征的数字光刻机应运而生。
目前的无掩模光刻机主要有两种。一种是基于电子束、单个或少数几个激光束的无掩模光刻机，其效率低，主要用于制造掩模，或者用于高等院校的科研样品制造。一种是基于空间光调制SLM技术的无掩模光刻机，典型的空间光调制器件是美国德州仪器公司的数字微镜器件DMD，其效率比单束的无掩模光刻机提高很多，但受DMD原理的限制而线条粗，只能用于印刷线路板、平板显示器、芯片封装等领域。
在集成电路领域，一方面以手机芯片为代表的逻辑、存储器件需求量很大，另外一方面随着5G通信、新能源汽车、清洁能源等新经济的发展，对模拟器件尤其是功率器件的需求也不断提高，关键是谁率先占据了新兴领域的高地，就对后来的追随者构成强大的竞争压力。这就对以灵活曝光为特长的无掩模光刻机即数字光刻机提出了新的要求。
与DMD不同，基于光纤阵列的空间光调制技术很早就被用于复杂图形的曝光中。2001年日本东京电机大学的光纤阵列投影曝光装置的专利获得授权（日本专利授权号P2001-313251A），这里的光纤为多模光纤，曝光光斑尺寸大，直径约10um，该装置用于印刷领域的计算机直接制版。目前该领域从事这类设备制造的企业有日本的网屏、德国的海德堡、美国的柯达等公司，以及国内的科雷、爱思凯等公司。2007年美国3M公司提出了“用于亚微米光学光刻构图的透镜光纤阵列”的中国专利申请（公开号CN101088048A），采用紫外波段的单模光纤，将曝光尺寸降低到亚微米尺度。2016年中山新诺科技公司提出了“一种新型高功率高速无掩模光刻系统”的专利（申请公布号 CN105974748A），用外调制光开关控制两个透镜间平行光束的通断，其线条较粗，目标是在线路板制造等领域与基于DMD的激光直接成像设备来竞争生产效率。2018年上海光机所提出了“集成化超分辨激光直写装置及直写方法”的专利（申请公布号CN109491214B），中心激发光进入单模光纤，外围的涡旋抑制光进入光子晶体光纤，二者合束后作为空间光进入透镜，照射到基板上进行曝光，该方案是细线条的单光束曝光。2022年西湖大学提出了“一种光纤阵列光刻机”的专利（申请公布号CN114488715A），采用同轴的两个光束，中心光为短波长的激发光，外围的环形光为长波长的抑制光，通过抑制光的退激发来消除中心光斑外的衍射光环，以此获得超越衍射极限的超分辨光刻，意图通过光纤阵列提高曝光效率。在西湖大学的专利中，存在两个技术难题：1）要用螺旋相位板把退激发光变为环形光，并把空间光形式的激发光与环形光都耦合到光纤中，且要求二者的同轴度达到纳米量级，其中的耦合对准难度极高；2）光刻胶既要对短波长的激发光敏感、又要对长波长的退激发光敏感，这对光刻胶的研制提出了苛刻要求。
在超出衍射极限的光刻中，近场光学、表面等离激元等近场方法需要激发源与基片的距离控制在100nm以内，这个要求太苛刻。远场方法中，飞秒激光双光子吸收、激发-抑制双光束、相变光刻等超分辨光刻技术都在发展中。飞秒激光双光子吸收技术中飞秒激光器价格高、单光束效率低，只能用于科研活动中，难于应用于生产。激发-抑制双光束中的激发光目前也是飞秒激光，存在同样的问题。相变光刻技术相对简单，成本低，虽然效率慢，但可应用于光盘刻录这样对效率要求不高的场合，因此受到人们关注。2015年上海光机所提出了“激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法”的专利（申请公布号CN105425536A），在盖玻片上溅射相变薄膜层和介电保护层获得相变光刻的掩模，将掩模与有热刻蚀薄膜的基片贴合后，进行光刻。但该方法相当于接触光刻，掩模要做到与基片无缝隙贴合很难，且使用过程中，掩模会很快玷污损伤，实用性还是不高。此外用相变光刻制作光盘时，入射光通常要透过透明基片后照射相变薄膜，形成光刻图形。这只适合光盘这样的透明基片。通常的光刻以硅片为基片，而硅片不透可见光或紫外光，因此这种光刻方式不能采用。
如何实现高精度的细线条曝光光斑，同时又减小其实现的技术难度，仍然是数字光刻机要面对的挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高精度数字光刻机，能够快速进行大量微小光斑的曝光，兼具高精度线条和高光刻效率。
作为本发明的第一个方面，提供一种高精度数字光刻机，包括曝光系统、放有感光基板的工件台、控制系统和安装在计算机中的版图处理软件系统，所述曝光系统包括单模光纤耦合的紫外激光器、高精度二维光纤阵列和大数值孔径微透镜阵列，所述感光基板包括晶圆和具有光热反应功能的涂覆层，所述具有光热反应功能的涂覆层形成在所述晶圆的表面，所述晶圆划分为多个曝光场，所述单模光纤耦合的紫外激光器、工件台和版图处理软件系统均与所述控制系统电连接，所述单模光纤耦合的紫外激光器连接所述高精度二维光纤阵列，所述高精度二维光纤阵列的端面与所述大数值孔径微透镜阵列对准；
其中，所述版图处理软件系统将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，所述控制系统根据所述点阵曝光格式控制相应的所述单模光纤耦合的紫外激光器的关断、点亮以及延时停止，所述单模光纤耦合的紫外激光器中的激光器点亮时，所述高精度二维光纤阵列端面出来的激光束经过所述大数值孔径微透镜阵列后，聚焦在所述感光基板的涂覆层上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统控制所述工件台移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，所述感光基板再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
进一步地，所述单模光纤耦合的紫外激光器用于将激光器出射的紫外激光耦合到单模光纤中。
进一步地，所述高精度二维光纤阵列用于将单模光纤通过高精度排列形成精密激光点阵。
进一步地，所述大数值孔径微透镜阵列固定在所述高精度二维光纤阵列的前面，并与所述高精度二维光纤阵列配合，所述大数值孔径微透镜阵列中的每个微透镜对准所述高精度二维光纤阵列中的一根光纤，微透镜中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过微透镜后能聚焦成很小的光斑。
进一步地，所述工件台具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个晶圆的光斑全覆盖。
进一步地，所述控制系统包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，根据所述版图处理软件系统给出的制版图形要求，控制所述工件台的电机进行运动，使所述感光基板位于所述大数值孔径微透镜阵列中微透镜的焦点处，并使所述感光基板上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同激光器的关断与点亮，使得所述感光基板上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
进一步地，所述具有光热反应功能的涂覆层是单层功能薄膜或多层薄膜，所述多层薄膜包括功能薄膜和导热薄膜，或者所述多层薄膜包括功能薄膜和介电薄膜；其中，所述功能薄膜由非晶态材料或有机功能材料构成，所述导热薄膜由金刚石或Si构成，所述介电薄膜由ZnS或SiO2构成。
进一步地，所述非晶态材料为金属玻璃或者硫系玻璃，所述金属玻璃为MgCuY或AlNiGd，所述硫系玻璃为GeSbTe、GeTe或SbSe；所述有机功能材料为多糖或者纤维素，所述多糖为琼脂，所述纤维素为硝酸纤维素或醋酸纤维素。
进一步地，所述晶圆表面的涂覆层是三层薄膜，所述三层薄膜包括第一导热薄膜、第二导热薄膜和包裹在第一导热薄膜和第二导热薄膜之间的非晶薄膜。
进一步地，所述晶圆表面的涂覆层是四层薄膜，所述四层薄膜包括第一介电薄膜、第二介电薄膜、第一非晶薄膜和第二非晶薄膜，所述第一介电薄膜和第二介电薄膜包裹所述第一非晶薄膜，所述第二非晶薄膜位于所述第二介电薄膜和所述晶圆之间。
本发明提供的一种高精度数字光刻机具有以下优点：首先，采用紫外光源和单模光纤，降低了光源的原始光斑大小；其次，采用大数值孔径微透镜聚焦，使得晶圆表面的光斑直径减小到亚微米尺寸；再次，关键是采用具有光热反应的功能薄膜，使得基片在曝光、显影后能得到纳米尺寸的线条；最后，采用高精度二维光纤阵列，能够快速进行大量光斑的曝光，提高了光刻效率。与常见的基于空间光调制技术的无掩模光刻机相比，能得到纳米量级的高精度线条，且设备结构简单，价格便宜，可靠性高。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的高精度数字光刻机的系统框图。
图2A至图2B为本发明提供的移动曝光的示意图。
图3A为本发明提供的感光基板的一种结构示意图。
图3B为本发明提供的感光基板的另一种结构示意图。
图3C为本发明提供的感光基板的另一种结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种高精度数字光刻机其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本实施例中提供了一种高精度数字光刻机，用于将预先设计的版图在晶圆上通过曝光、显影的方式，实现图形的光刻转移功能。如图1所示，所述高精度数字光刻机包括曝光系统4、放有感光基板5的工件台6、控制系统7和安装在计算机中的版图处理软件系统8，所述曝光系统4包括单模光纤耦合的紫外激光器1、高精度二维光纤阵列2和大数值孔径微透镜阵列3，所述感光基板5包括晶圆9和具有光热反应功能的涂覆层，所述具有光热反应功能的涂覆层形成在所述晶圆9的表面，所述晶圆9划分为多个曝光场，所述单模光纤耦合的紫外激光器1、工件台6和版图处理软件系统8均与所述控制系统7电连接，所述单模光纤耦合的紫外激光器1连接所述高精度二维光纤阵列2，所述高精度二维光纤阵列2的端面与所述大数值孔径微透镜阵列3对准。
本发明实施例的高精度数字光刻机的原理如下：把通过专用版图设计软件获得的版图设计文件传给计算机，计算机中的版图处理软件系统8将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，点阵曝光格式图形中的黑代表不曝光，白代表曝光。所述控制系统7根据所述点阵曝光格式控制相应的所述单模光纤耦合的紫外激光器1的关断、点亮以及延时停止，完成一个曝光场的曝光后，控制系统7控制工件台6移动到下一个曝光场。所述单模光纤耦合的紫外激光器1中的激光器点亮时，所述高精度二维光纤阵列2端面出来的激光束经过所述大数值孔径微透镜阵列3后，聚焦在所述感光基板5的涂覆层上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统7控制所述工件台6移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，所述感光基板5再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
如图2A所示，将感光基板5中的晶圆9划分为曝光场11、曝光场21、曝光场31等，图2B中，二维光纤阵列2中的第一根光纤经过微透镜后输出的光斑覆盖曝光场11中的区域12，第二根光纤覆盖区域22。由于二维光纤阵列2中光纤与光纤之间有一定间隙，第二根光纤覆盖的区域22与区域12并不毗邻。区域12、区域22完成曝光后，移动工件台6，使第一根光纤输出的光斑覆盖曝光场11中的区域13，第二根光纤覆盖区域23，然后进行曝光。同样移动工件台6，使第一根光纤覆盖14，第二根光纤覆盖区域24，然后曝光。再次移动工件台6，使第一根光纤覆盖15，第二根光纤覆盖区域25，然后曝光。多次重复后，曝光场11的所有区域都得到曝光。于是移动工件台6，开始下一个曝光场21的曝光。如此反复，直到把晶圆9上所有的区域都曝光完毕。
优选地，所述单模光纤耦合的紫外激光器1用于将激光器出射的紫外激光耦合到单模光纤中。这里采用短波长紫外激光器和单模光纤。例如，405nm时单模光纤的模场直径3μm，远小于数字微镜器件DMD中的微镜尺寸。波长更短的激光器，对应的单模光纤的模场直径更小。这样的配置确保光源出射光斑很小。
优选地，所述高精度二维光纤阵列2用于将单模光纤通过高精度排列形成精密激光点阵。高精度二维光纤阵列中光纤排列周期小、精度高，例如对于外径125μm的光纤，排列周期可以是150μm，外径80μm的光纤，排列周期可以是100μm，光纤排列精度达到亚微米，二维光纤阵列中光纤数目很多，例如32X32、64X64、96X96、128X128根。
优选地，所述大数值孔径微透镜阵列3固定在所述高精度二维光纤阵列2的前面，并与所述高精度二维光纤阵列2配合，所述大数值孔径微透镜阵列3中的每个微透镜对准所述高精度二维光纤阵列2中的一根光纤，微透镜中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过微透镜后能聚焦成很小的光斑。微透镜优先采用衍射型微透镜，数值孔径达到0.7或更大，以实现更细线条的曝光。
优选地，所述工件台6具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个晶圆9的光斑全覆盖。
优选地，所述控制系统7包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，是有很多功能器件的电子线路板，用于控制激光器曝光和工件台运动，根据所述版图处理软件系统8给出的制版图形要求，控制所述工件台6的电机进行运动，使所述感光基板5位于所述大数值孔径微透镜阵列3中微透镜的焦点处，并使所述感光基板5上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同激光器的关断与点亮，使得所述感光基板5上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
具体地，所述版图处理软件系统8安装在计算机中，具有将需要曝光的版图分解成多个曝光场的功能，每个曝光场中亚微米乃至纳米级的黑白像素点对应于激光器的关断与点亮，通过工件台的移动，实现曝光场之间的无缝衔接和曝光区域对整个晶圆的全覆盖。
优选地，所述晶圆9表面、具有光热反应功能的涂覆层是单层功能薄膜或多层薄膜，功能薄膜由非晶态材料或有机功能材料构成，多层薄膜时除了功能薄膜外还包含导热薄膜或介电薄膜。所述感光基片是要曝光的晶圆，在晶圆表面涂覆了具有光热反应的功能薄膜。光纤的出射光经过微透镜后聚焦在晶圆表面，形成亚微米量级的光斑。功能薄膜由非晶态材料或有机功能材料构成，可以是单层薄膜，也可以根据需要安排多层薄膜构成复合结构。
优选地，所述非晶态材料为金属玻璃或者硫系玻璃，所述金属玻璃为MgCuY或AlNiGd，所述硫系玻璃为GeSbTe、GeTe或SbSe；所述有机功能材料为多糖或者纤维素，所述多糖为琼脂，所述纤维素为硝酸纤维素或醋酸纤维素。所述导热薄膜为金刚石或Si；所述介电薄膜为ZnS或SiO2。
优选地，所述晶圆9表面的涂覆层是三层薄膜，所述三层薄膜包括第一导热薄膜26、第二导热薄膜27和包裹在第一导热薄膜26和第二导热薄膜27之间的非晶薄膜20。
具体地，功能薄膜由非晶态材料构成时，可以是单层薄膜，聚焦光斑处薄膜被加热形成热斑，热斑中心温度高、边缘温度低，只有中心尺度纳米级的区域温度超过熔化温度，非晶态材料液化，停止激光照射，热斑消逝，中心区域的液化材料冷却转变为晶态，其余未液化的部分仍保持非晶态。利用晶态和非晶态在显影液中的溶解性不同来显影，显影后基片表面获得线条尺寸为纳米量级的精细图形。非晶态材料可以是金属玻璃，如MgCuY、AlNiGd等，也可以是硫系玻璃，如GeSbTe、GeTe、SbSe等。
具体地，功能薄膜由非晶态材料构成时，还能由不同的薄膜构成多层膜，进一步减小光刻尺寸。例如一层介电薄膜后紧跟一层非晶态薄膜，然后再有一层介电薄膜，再紧跟一层非晶态薄膜。这里的介电薄膜可以是多种材料，例如ZnS、SiO2等。再例如一层导热薄膜后紧跟一层非晶态薄膜，然后再有一层导热薄膜。这里的导热薄膜可以是多种材料，例如金刚石、Si等。
具体地，功能薄膜由有机功能材料构成时，聚焦光斑处薄膜被加热形成热斑，热斑中心温度高、边缘温度低，只有中心尺度纳米级的区域温度超过阈值温度，有机功能材料降解或气化。降解的有机功能材料分子链缩短，在显影液中可以溶解，未降解的有机功能材料分子链很长，在显影液中溶解很慢或不溶解，显影后基片表面获得线条尺寸为纳米量级的精细图形。气化的情况下，无需显影，直接得到线条尺寸为纳米量级的精细图形。有机功能材料可以是多糖，例如琼脂，也可以是纤维素，例如硝酸纤维素或醋酸纤维素。
优选地，所述晶圆9表面的涂覆层是四层薄膜，所述四层薄膜包括第一介电薄膜28、第二介电薄膜29、第一非晶薄膜30和第二非晶薄膜40，所述第一介电薄膜28和第二介电薄膜29包裹所述第一非晶薄膜30，所述第二非晶薄膜40位于所述第二介电薄膜29和所述晶圆9之间。
如图3A所示，感光基板5中晶圆9的表面涂覆层10是单层薄膜。从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束41照射到涂覆层10上，形成亚微米量级的感光区42，激光能量在感光区42被转换成热能，由于生热和散热的平衡而形成温度分布。
涂覆层10的功能薄膜由非晶态材料构成时，在感光区42的中央区43，这里的温度超过涂覆层10功能材料的熔点，功能材料熔化成液体，中央区43的尺寸为纳米量级。中央区43外的感光区42，这里的温度低于功能材料的熔点，材料仍保持为非晶态。停止激光照射，涂覆层10中的温度逐步下降，当感光区42的中央区43处的温度低于功能材料的熔点时，功能材料由液态冷凝变为晶态。同样地，从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束51照射到涂覆层10上形成感光区52，并在感光区52的中央区53使得曝光前的非晶态材料变为曝光后的非晶态材料。于是涂覆层10变为由中央区43、53等处的晶态和其它区域的非晶态构成。显影时利用晶态与非晶态的溶解性差异，就形成了纳米尺寸的图形。
涂覆层10的功能薄膜由有机功能材料构成时，在感光区42的中央区43，这里的温度超过涂覆层10的阈值，有机功能材料降解或气化，中央区43的尺寸为纳米量级。同样地，从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束51照射到涂覆层10上形成感光区52，并在感光区52的中央区53内，温度超过阈值，有机功能材料降解或气化。于是涂覆层10变为由中央区43、53等处的烧蚀区和其它区域的非烧蚀区构成。降解的有机功能材料分子链缩短，在显影液中可以快速溶解，未降解的有机功能材料分子链很长，在显影液中溶解很慢或者不溶解，显影后基片表面获得线条尺寸为纳米量级的精细图形。气化的情况下，无需显影，直接得到线条尺寸为纳米量级的精细图形。
如图3B所示，感光基板5中晶圆9的表面涂覆层是三层薄膜。第一导热薄膜26和第二导热薄膜27包裹非晶薄膜20。从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束41透过第一导热薄膜26照射到非晶薄膜20上，形成亚微米量级的感光区42，激光能量在感光区42被转换成热能，由于生热和散热的平衡而形成温度分布。第一导热薄膜26和第二导热薄膜27的导热性能良好，散热快，在感光区42的中央区43，其温度超过非晶薄膜20的熔点，且尺寸比单层薄膜时的尺寸更小。同样地，从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束51透过第一导热薄膜26照射到非晶薄膜20上，形成亚微米量级的感光区52，在感光区52的中央区53，其温度超过非晶薄膜20的熔点，且尺寸比单层薄膜时的尺寸更小。由此形成尺寸更细的曝光图形。
如图3C所示，感光基板5中晶圆9的表面涂覆层是四层薄膜。第一介电薄膜28和第二介电薄膜29包裹第一非晶薄膜30。第二非晶薄膜40位于第二介电薄膜29和晶圆9之间。从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束41透过第一介电薄膜28照射到第一非晶薄膜30上，形成亚微米量级的感光区42，在感光区42的中央区43，其温度超过非晶薄膜30的熔点。热量再透过第二介电薄膜29，在第二非晶薄膜40中形成热影响区44，在热影响区的中央区45，其温度超过非晶薄膜40的熔点。同样地，从大数值孔径微透镜阵列3出来的聚焦光束51透过第一介电薄膜28照射到第一非晶薄膜30上，形成亚微米量级的感光区52，在感光区52的中央区53，其温度超过非晶薄膜40的熔点。热量再透过第二介电薄膜29，在第二非晶薄膜40中形成热影响区54，在热影响区的中央区55，其温度超过非晶薄膜40的熔点。这里第一介电薄膜28和第二介电薄膜29由导热性能不良的材料构成，起产生温度梯度、防止第一非晶薄膜30和第二非晶薄膜40熔化后混合的作用。这里采用多层薄膜后，可以使得曝光线条极大减小，获得更精细的曝光图形。
本发明提供的一种高精度数字光刻机，首先，采用紫外光源和单模光纤，降低了光源的原始光斑大小；其次，采用大数值孔径微透镜聚焦，使得晶圆表面的光斑直径减小到亚微米尺寸；再次，关键是采用具有光热反应的功能薄膜，使得基片在曝光、显影后能得到纳米尺寸的线条；最后，采用高精度二维光纤阵列，能够快速进行大量光斑的曝光，提高了光刻效率。与常见的基于空间光调制技术的无掩模光刻机相比，能得到纳米量级的高精度线条，且设备结构简单，价格便宜，可靠性高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种高精度数字光刻机，其特征在于，包括曝光系统（4）、放有感光基板（5）的工件台（6）、控制系统（7）和安装在计算机中的版图处理软件系统（8），所述曝光系统（4）包括单模光纤耦合的紫外激光器（1）、高精度二维光纤阵列（2）和大数值孔径微透镜阵列（3），所述感光基板（5）包括晶圆（9）和具有光热反应功能的涂覆层，所述具有光热反应功能的涂覆层形成在所述晶圆（9）的表面，所述晶圆（9）划分为多个曝光场，所述单模光纤耦合的紫外激光器（1）、工件台（6）和版图处理软件系统（8）均与所述控制系统（7）电连接，所述单模光纤耦合的紫外激光器（1）连接所述高精度二维光纤阵列（2），所述高精度二维光纤阵列（2）的端面与所述大数值孔径微透镜阵列（3）对准；
其中，所述版图处理软件系统（8）将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，所述控制系统（7）根据所述点阵曝光格式控制相应的所述单模光纤耦合的紫外激光器（1）的关断、点亮以及延时停止，所述单模光纤耦合的紫外激光器（1）中的激光器点亮时，所述高精度二维光纤阵列（2）端面出来的激光束经过所述大数值孔径微透镜阵列（3）后，聚焦在所述感光基板（5）的涂覆层上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统（7）控制所述工件台（6）移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，所述感光基板（5）再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
2.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述单模光纤耦合的紫外激光器（1）用于将激光器出射的紫外激光耦合到单模光纤中。
3.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述高精度二维光纤阵列（2）用于将单模光纤通过高精度排列形成精密激光点阵。
4.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述大数值孔径微透镜阵列（3）固定在所述高精度二维光纤阵列（2）的前面，并与所述高精度二维光纤阵列（2）配合，所述大数值孔径微透镜阵列（3）中的每个微透镜对准所述高精度二维光纤阵列（2）中的一根光纤，微透镜中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过微透镜后能聚焦成很小的光斑。
5.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述工件台（6）具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个晶圆（9）的光斑全覆盖。
6.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述控制系统（7）包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，根据所述版图处理软件系统（8）给出的制版图形要求，控制所述工件台（6）的电机进行运动，使所述感光基板（5）位于所述大数值孔径微透镜阵列（3）中微透镜的焦点处，并使所述感光基板（5）上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同激光器的关断与点亮，使得所述感光基板（5）上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
7.根据权利要求1所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述具有光热反应功能的涂覆层是单层功能薄膜或多层薄膜，所述多层薄膜包括功能薄膜和导热薄膜，或者所述多层薄膜包括功能薄膜和介电薄膜；
其中，所述功能薄膜由非晶态材料或有机功能材料构成，所述导热薄膜由金刚石或Si构成，所述介电薄膜由ZnS或SiO2构成。
8.根据权利要求7所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述非晶态材料为金属玻璃或者硫系玻璃，所述金属玻璃为MgCuY或AlNiGd，所述硫系玻璃为GeSbTe、GeTe或SbSe；所述有机功能材料为多糖或者纤维素，所述多糖为琼脂，所述纤维素为硝酸纤维素或醋酸纤维素。
9.根据权利要求7所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述具有光热反应功能的涂覆层是三层薄膜，所述三层薄膜包括第一导热薄膜（26）、第二导热薄膜（27）和包裹在第一导热薄膜（26）和第二导热薄膜（27）之间的非晶薄膜（20）。
10.根据权利要求7所述的一种高精度数字光刻机，其特征在于，所述具有光热反应功能的涂覆层是四层薄膜，所述四层薄膜包括第一介电薄膜（28）、第二介电薄膜（29）、第一非晶薄膜（30）和第二非晶薄膜（40），所述第一介电薄膜（28）和第二介电薄膜（29）包裹所述第一非晶薄膜（30），所述第二非晶薄膜（40）位于所述第二介电薄膜（29）和所述晶圆（9）之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230822 |