CN117088328A - 一种用于光刻机照明系统的二维静电式mems微镜结构 - Google Patents

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胡敬佩
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Abstract

本发明公开了一种用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，包括镜面、单悬臂、第一电极、第二电极和锚。镜面通过单悬臂固定在锚上，第一电极和第二电极对称地固定排布于镜面下方，镜面与电极间的板间气隙提供充足的自由转动空间。MEMS微镜的旋转由静电驱动，驱动时微镜表面接地，两个电极上灵活配置驱动电压以实现三种工作模式的切换。通过单悬臂结构，只需两个电极即能实现二维旋转，极大地简化了驱动电路，同时省去了外框结构，减少了结构的尺寸和质量，为光刻机照明系统中微反射镜阵列的设计制造提供可能。

Description

一种用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别涉及一种用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构。
背景技术
MEMS微镜是基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术设计生产的通过镜面旋转在一维、二维甚至三维方向上实现入射光角度调制的毫米甚至微米级可驱动结构。与传统的光学扫描镜相比，MEMS微镜拥有重量更轻、体积更小以及生产成本更低等优点，其已在半固态激光雷达、激光打标、陀螺仪及三维显示等领域被广泛应用。根据驱动原理的不同，MEMS微镜可以分为静电驱动式、电磁驱动式、压电驱动式以及热电驱动式。其中静电驱动式MEMS微镜相对于其他驱动方式的微镜具有结构简单、低功耗且工艺成熟的优点。由于使用场景的需求，MEMS微镜的扫描方向由一维扩展到二维以及三维，其中双轴MEMS微镜通过镜面在两个轴方向上的旋转实现入射光的二维扫描，可用于生成多光点阵列等。
为了提高光刻机的分辨率，光源掩模联合优化(Source Mask Optimization,SMO)技术作为一种关键的分辨率增强技术(Resolution enhancement technique)在反复迭代的过程中不断优化光源形状最终形成自由照明模式。在光刻机自由光瞳照明模式的生成过程中，为了将光点阵列反射至指定位置形成所需光源分布，需要将大量MEMS微镜集成在同一衬底上形成微反射镜阵列(Micro-mirror Array,MMA)对光点阵列的角度进行调制。静电驱动式MEMS微镜因其在国内已经具备相当成熟的制造工艺被应用于照明系统中MEMS微反射镜阵列的设计制造。由于传统的静电驱动的二维MEMS微镜需要至少四个电极，因此在对大量MEMS微镜进行阵列封装且同时实现对各个MEMS微镜的单独驱动时，需要庞大复杂的电路，同时也增加了MEMS微镜阵列的控制难度，使得当前的工艺面临巨大的挑战。
因此如何设计出一种结构简单且驱动电极尽可能少的MEMS微镜，并用于简化MEMS微镜阵列驱动控制电路复杂度是当前MMA研发的关键问题之一。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本申请实施例所要解决的技术问题在于设计了一种能够极大简化驱动控制电路的单悬臂二维静电式MEMS微镜结构，为光刻机照明系统中MMA组件的设计制造提供可能。
(二)本发明的技术解决方案
本发明提供一种一种用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，包括镜面和基材，其特点在于，还包括单悬臂、第一电极、第二电极和锚；所述镜面由所述悬臂梁支撑，该单悬臂通过锚固定于基材上，所述第一电极和第二电极以单悬臂的中心轴对称排布在镜面下方的基材表面。
微镜的旋转由静电进行驱动，驱动时微镜表面接地，向两个电极施加驱动电压，镜面与电极之间产生的不均匀电场使得可动镜面受力，当驱动电压产生的静电扭矩与蛇形曲折梁产生的回复力矩达到平衡时，镜面下拉至指定位置。
所述MEMS微镜的镜面与两个电极之间存在一定高度的板间气隙，为镜面的旋转提供自由空间，并足以保证施加驱动电压后镜面即使处于最大偏转角处也不会与电极产生吸合。
所述MEMS微镜结构为能够大量集成的微机电元件，采用为静电驱动式MEMS微镜结构，且基于平行板式进行设计。
所述镜面结构表面在x轴及y轴方向上的直径D1、D2应大于入射光在两个方向上对应的直径D3、D4。
所述镜面结构可在镜面表面进行镀膜，使得特定波长能够在光学系统中高效率地工作。
所述悬臂梁结构为蛇形曲折梁，在减小结构尺寸的同时减小刚度，在低于屈服强度状态下，能够在不同方向上进行扭转。
所述电极结构，为固定电极，关于x轴成中心对称式分布，位于镜面正下方，并固定于基材表面。
所述电极结构，其两个电极电压配置灵活，在三个工作状态下灵活切换。当两个电极同时施加相同驱动电压时，微镜绕y轴进行旋转。当MEMS微镜绕x轴进行旋转时，既能通过第一电极施加驱动电压进行正向旋转，也能够通过在第二电极施加驱动电压，使镜面进行反向偏转，转角范围倍增。当两个电极同时施加不同驱动电压时，MEMS微镜在x轴和y轴方向上均有偏转。其y轴旋转角度θ通过下面公式进行计算：
θ＝arcsin(h′/D1)
其中h′为镜面端点下拉距离，D1为镜面x轴方向上直径。x轴旋转角度计算同上式。
(三)本发明的技术效果
1)通过单个蛇形曲折梁支撑镜面在不均匀电场的作用下进行二维旋转，在两个方向上最大旋转角度均能达到5°，满足光刻机自由照明系统中MMA的设计要求。
2)仅有两个对称排布的电极结构，极大地简化了大量MEMS微镜阵列后的驱动控制电路，减少结构尺寸、质量和复杂度。
3)仅包含单个弹性悬臂梁。省略了连接两个旋转轴上悬臂梁的外框，减少了结构尺寸和质量。
4)仅包含两个输入电极结构，极大地减少了驱动控制电路的复杂度。在两个旋转轴上的旋转范围均能达到5°。能够同时或分别绕x轴和y轴进行旋转，由弹性悬臂梁支撑。
5)通过对第一电极和第二电极施加不同驱动电压，实现三种工作模式。在工作模式1下入射光经镜面反射后其出射光绕垂直于悬臂梁中心轴方向旋转。在工作模式2时出射光绕悬臂梁中心轴方向沿顺逆时针两个方向旋转，分别记为正向旋转和反向旋转。当MEMS微镜处于工作模式3时，相对于入射光角度，出射光在两个方向上均有偏转。
附图说明
图1为本发明二维静电式MEMS微镜结构的部分示意图。
图2为本发明二维静电式MEMS微镜结构的示意图。
图3为MEMS微镜执行入射光反射动作时的工作示意图。
图4为MEMS微镜在工作状态1时的工作示意图。
图5为MEMS微镜在工作状态2时的工作示意图。
图6为MEMS微镜在工作状态3时的工作示意图。
附图标号说明：1-MEMS微镜结构、2-镜面、3-悬臂梁、4-第一电极、5-第二电极、6-锚、7-基材、8-入射光、9-出射光。
具体实施方式
为了更加清楚地对本发明的技术方案进行阐述，下面将结合具体实施例，参照附图，对本发明进行进一步说明。
请参阅图1至图2，图1是本发明提供的二维静电式MEMS微镜结构的实施例的部分示意图。图2为MEMS微镜通过锚固定于基材上的结构示意图。单悬臂二维静电式MEMS微镜1包括镜面2、单悬臂3、电极4和5。镜面2由悬臂梁3进行支撑，两个电极4和5对称地固定排布在镜面2下方。镜面2和悬臂梁3通过锚6固定于基材7上。镜面2和电极4、5之间存在高度为h的板间气隙，为镜面2的旋转提供自由空间。该MEMS微镜1的旋转由静电吸引力驱动，驱动时微镜镜面2接地，并在固定电极4和5上同时或分别施加驱动电压V，镜面2与电极4、5之间产生的不均匀电场使得作为可动电极的镜面2偏转。
镜面2的旋转角度随驱动电压V增大而增大。
板间气隙的高度h应足以保证施加驱动电压后镜面2即使在最大偏转角时与电极4、5也不会产生吸合。
在本实施方式中提供的单悬臂二维静电式MEMS微镜，镜面2仅由单悬臂3支撑，由于省略了二维MEMS微镜结构中连接两个旋转轴上悬臂梁的外框，减少了MEMS微镜1的结构尺寸和质量。
在本实施方式中提供的单悬臂二维静电式MEMS微镜，在两个旋转轴上的旋转范围均能达到5°，满足光刻机自由照明系统中的使用需求。
请参阅图3，图3为图1所示的单悬臂二维静电式MEMS微镜执行入射光反射动作调制入射光角度时的工作状态示意图。当本实施例中的MEMS微镜执行入射光8反射动作时，入射光8经镜面2表面反射后以一定角度出射形成出射光9。镜面2在x轴及y轴方向上的直径D1、D2应大于入射光在两个方向上对应的直径D3、D4。
本实施例中MEMS微镜1的表面面积是可变的，根据使用需求可以定制镜面2面积及形状。同时地，镜面2表面支持进行选择性镀膜，使得特定波长能够在光学系统中高效地工作。
请参阅图4，图4是MEMS微镜1在工作状态1时的工作示意图。此工作状态下，第一电极4和第二电极5同时施加驱动电压，在悬臂梁3的支撑下，平板在板间气隙间旋转，当驱动电压产生的静电扭矩与蛇形曲折梁产生的回复力矩达到平衡时，镜面2端点下拉距离h′,此时x轴旋转至x′位置,旋转角度为θ。
请参阅图5，图5是MEMS微镜1在工作状态2时的工作示意图。此工作状态下，第一电极4和第二电极5分别施加驱动电压。在悬臂梁3的支撑下，当向第一电极4施加驱动电压V时，MEMS微镜1的镜面2在悬臂梁3的支撑下受到静电吸引力的作用沿顺时针方向旋转，标记为正向旋转，此时y轴旋转至y′位置,旋转角度为θ′。当向第二电极5施加驱动电压V时，镜面2受到静电吸引力的作用沿逆时针方向旋转，记为反向旋转，此时y轴旋转至y″位置,旋转角度为θ″。
本实施例中MEMS微镜1在工作状态2时，即使在相同驱动电压下电极4和5不同时施加驱动电压使得镜面2端点下拉距离h′较于工作状态1时减少，但由于存在正向和反向两个旋转方向，转角范围倍增。
请参阅图6，图6是MEMS微镜1在工作状态3时的工作示意图。此工作状态下，第一电极4和第二电极5同时施加不同驱动电压在悬臂梁3的支撑下，MEMS微镜在x轴和y轴方向上均有偏转。

Claims (6)

1.一种用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，包括镜面和基材，其特征在于，还包括单悬臂、第一电极、第二电极和锚；所述镜面由所述悬臂梁支撑，该单悬臂通过锚固定于基材上，所述第一电极和第二电极以单悬臂的中心轴对称排布在镜面下方的基材表面。
2.根据权利要求1所述的用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，其特征在于，所述单悬臂呈蛇形。
3.根据权利要求1所述的用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，其特征在于，所述镜面和单悬臂一体而成。
4.根据权利要求1所述的用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，其特征在于，所述单悬臂与镜面键合而成。
5.根据权利要求1所述的用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，其特征在于，镜面与第一电极、第二电极之间的间隙应足以保证施加驱动电压后镜面即使处于最大偏转角处也不会与电极产生吸合，此时镜面下拉高度不超过间隙高度的2/3。
6.根据权利要求1所述的用于光刻机照明系统的二维静电式MEMS微镜结构，其特征在于，该微镜通过改变两个电极上驱动电压的配置实现三种工作模式的切换：
第一工作模式：对第一电极和第二电极同时施加驱动电压，镜面绕垂直于悬臂梁中心轴方向旋转；
第二工作模式：对第一电极和第二电极分别施加驱动电压，当向第一电极施加驱动电压时，镜面受到静电吸引力的作用绕悬臂梁中心轴方向沿顺时针方向旋转，标记为正向旋转，当向第二电极施加驱动电压时，镜面沿逆时针方向旋转，记为反向旋转；
第三工作模式：对第一电极和第二电极同时施加不同驱动电压时，在悬臂梁的支撑下，MEMS微镜在两个方向上均有偏转。
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