CN213876307U - 一种集成电路质子直写系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成电路质子直写系统，包括总控系统、激光控制系统、X、Y偏转控制系统，总控系统将设计的图形和结构数据转换成控制数据，同时将数据传递给激光控制系统和X、Y偏转控制系统，分别控制质子束的产生、筛选和质子束X、Y向运动轨迹，将质子束按设计路径打到抗蚀材料上，从而完成刻写任务；而且使用质子束刻写，由于质子具有较高的质量，MeV级能量的质子束穿透力强，空间发散度小，刻出的刻痕更深，波动性小，能够刻写得更深、更细、更精确，可以在工件单位面积上刻写更加多的信息，并且能够刻写多层信息，具有能够加工超纳米大规模集成电路芯片的特点。

Description

一种集成电路质子直写系统

技术领域

本实用新型涉及刻写系统技术领域，特别是指一种集成电路质子直写系统。

背景技术

质子束刻写(PBW)是近年发展迅速的一种离子束新技术，与质子束刻写相近的现有技术方案有激光直写技术、电子束刻写(EBW)；

现有的激光直写技术主要是利用强度可变的激光束对涂在基片表面的抗蚀材料变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓，激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，对放置在电动平台上的光刻胶直接实施变剂量曝光，从而刻出连续浮雕结构，写出所设计的图形，激光直写技术存在的主要问题有激光焦斑引起的光学邻近效应，限制了激光直写的分辨率，激光器光功率稳定的控制、噪声的抑制问题，另外，加工轮廓深度与曝光强度、扫描速度、抗蚀剂材料、显影液配方和温度状态以及显影时间等多种因素有关，任何一个因素的改变都会引起轮廓深度误差；

现有的电子束刻写(EBW)技术的主要的工作原理是利用电子束和抗蚀剂材料之间的一级相互作用是电子和电子之间的碰撞，这导致了入射电子的大角度多次散射而在材料中形成“梨形”电离，尽管可以通过附加步骤制作高纵横比的结构，但横向分辨率低于100nm的结构的电子束刻写只能在很薄的抗蚀剂上实现；

由此可见，现有的激光直写技术和电子束刻写(EBW)存在的主要问题有分辨率小、噪声大、功率控制不稳定、轮廓深度有误差等。

实用新型内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种集成电路质子直写系统，利用质子质量大，稳定，相对于激光波动性小，能够刻写得更加深、更加细，更加直，能够在工件单位面积上刻写更多的信息，并且能够刻写多层信息，能够加工超纳米大规模集成电路芯片，主要用于小型高精度集成电路板加工，可有效克服分辨率小、噪声大、功率控制不稳定、轮廓深度有误差等问题，具有高精度、高效率、高质量的特点。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种集成电路质子直写系统，包括总控系统、激光控制系统、X、Y偏转控制系统：

总控系统将产生设计的图形和结构数据转换成直写系统的控制数据，同时将控制数据传递给激光控制系统和X、Y偏转控制系统；

激光控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息转化成不同功率的飞秒激光，再将飞秒激光转换为Mev级质子束，筛选；

X、Y偏转控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息传递给X、Y向控制器，X、Y向控制器通过控制X、Y控制模块驱动电磁偏转组件偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工,完成刻写任务。

进一步的，所述的总控系统为计算机，将设计图纸、编程软件自动生成控制程序，控制飞秒激光发生器产生飞秒激光，同时控制X、Y偏转扫描控制系统进行质子直写。

进一步的，所述的激光控制系统包括激光控制器、飞秒激光发生器、靶标和质子聚束和选通系统，激光控制器控制飞秒激光发生器产生飞秒激光，飞秒激光轰击靶标产生Mev级的质子束，质子束经质子聚束、选通系统，滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，选择质子束通过。

进一步的，所述的激光控制器，用于接收计算机端控制命令、并发送给飞秒激光发生器。

进一步的，所述的飞秒激光发生器，用于接收激光控制器传递的控制命令，并根据控制命令产生功率可变的飞秒激光。

进一步的，所述的靶标是一种“微结构靶”，可以获得准单能的质子束，微结构靶由一层金属薄膜和薄膜背面的一块富含质子的材料构成。

进一步的，所述的质子聚束、选通系统包括聚束器和选通器，所述的聚束器结构可为3段，即径向匹配段、成形段、平滑聚束段，可以为来自质子源的质子束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，所述的选通器主要作用是滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，选择质子束通过。

进一步的，所述的X、Y偏转控制系统包括X、Y偏转扫描控制系统和质子直写头，X、Y偏转扫描控制系统通过控制X、Y方向的控制模块驱动电磁偏转组件偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工。

进一步的，所述的X、Y偏转扫描控制系统包括工控机及加工控制软件、电磁偏转组件、X、Y控制模块，工控机控制加工控制软件设定工作原点，生成自动加工程序，并通过X、Y方向控制电机驱动电磁偏转组件，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工。

进一步的，所述的质子直写头主要是利用质子直写技术将质子束所传递的信息打到工作台上的抗蚀材料上，完成质子直写头精确雕刻的任务。

本实用新型的有益效果：

由于本实用新型所提供的一种集成电路质子直写系统，通过质子束刻写技术利用Mev级质子束能量的聚焦质子束对抗蚀剂材料直接刻写nm尺度的微结构；而且使用质子束刻写，由于质子具有较高的质量(是电子质量的1800倍)，MeV级能量的质子束穿透力强，空间发散度小，利用质子束刻写可得到的高深宽比更加合理，刻痕更深，具有波动性小，能够刻写得更加深、更加细，更加直，能够在工件单位面积上刻写更加多的信息，并且能够刻写多层信息，能够加工超纳米大规模集成电路芯片的特点。

附图说明

图1为本实用新型总体框图。

图2为XY偏转扫描总控系统总体框图。

图3为质子束刻写效果图。

图4为本实用新型电磁偏转工作原理图。

其中：1.计算机，2.激光控制器，3.飞秒激光发生器，4.靶标，5.质子聚束、选通系统，6.X、Y偏转扫描控制系统，7.质子直写头，8.工作台，9.工控机，10.加工控制软件，11.X向控制器，12.Y向控制器，13.电磁偏转组件，a.3MeV质子束刻写，b.激光束刻写，c.50keV电子束刻写。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-4所示，一种集成电路质子直写系统，包括：总控系统、激光控制系统、X、Y偏转控制系统：所述的总控系统将产生设计的图形和结构数据转换成直写系统的控制数据，同时将控制数据传递给激光控制系统和X、Y偏转控制系统；所述的激光控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息转化成不同功率的飞秒激光，再将飞秒激光转换为Mev级质子束，筛选；所述的X、Y偏转控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息传递给X、Y向控制器，X、Y向控制器驱动电磁偏转组件工作，使得质子束按照设计轨迹偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工，完成刻写任务；

所述的总控系统为计算机1，将设计图纸、编程软件等图形数据和结构数据自动生成直写系统的控制数据，转化成控制程序，控制飞秒激光发生器3产生飞秒激光，同时总控系统控制X、Y偏转扫描控制系统6，X、Y偏转扫描控制系统6通过控制X、Y方向的控制模块驱动电磁偏转组件13偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工，利用质子直写技术将质子束所传递的信息打到工作台8上的抗蚀材料上；

所述工作台8的位置是固定设置的；

所述的激光控制系统包括激光控制器2、飞秒激光发生器3、靶标4和质子聚束、选通系统5，激光控制器2控制飞秒激光发生器3产生不同功率的飞秒激光，飞秒激光轰击靶标4产生Mev级的质子束，质子束经质子聚束、选通系统5，滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，特别的选择质子束通过；所述激光控制器2的一端与计算机1连接，另一端与飞秒激光发生器3相连，接收来自计算机端控制命令、并将命令进行转化后发送给飞秒激光发生器3；所述飞秒激光发生器3，接收激光控制器2传递的控制命令，并根据控制命令产生功率可变的飞秒激光；

所述靶标4是接收来自飞秒激光发生器3传来的飞秒激光的轰击，并产生Mev级的质子束；所述质子聚束、选通系统5包括聚束器和选通器，聚束器结构可为3段，即径向匹配段RMS、成形段SH、平滑聚束段GB，可以为来自质子源的质子束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，选通器可以滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，特别的选择质子束通过；

所述的靶标4是一种“微结构靶”，可以获得准单能的质子束，微结构靶是由一层金属薄膜和薄膜背面的一块富含质子的材料构成；靶标采用金属薄膜的目的是使飞秒激光与之作用产生大量的超热电子，这些超热电子穿过金属薄膜建立强大的鞘电场；用富含质子的材料在薄膜后面形成点状的目的有两个：一是增加质子发射的数量，二是小于加速鞘横向尺寸的点中的质子将被一个均匀的电场加速，这样，就能够获得准单能的质子束；

所述的飞秒是一种时间单位，1飞秒＝1*10^-15秒，只有1秒的一千万亿分之一；飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，它在瞬间发出的巨大功率，科学家预测飞秒激光将为21世纪新能源的产生发挥重要作用；

所述的飞秒激光发生器3由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器；

所述的X、Y偏转扫描控制系统6包括工控机9及加工控制软件10、电磁偏转组件13、X、Y控制模块，工控机9控制加工控制软件10设定工作原点，生成自动加工程序，通过控制X、Y方向的控制模块驱动电磁偏转组件13工作，使得质子束按照设计轨迹偏转，并在X、Y方向做精确扫描加工，实现质子高密度、高精度的三维直写；

所述的质子直写头7利用质子直写技术将质子束所传递的信息打到工作台8上的抗蚀材料上，完成质子直写头精确雕刻的任务；

所述的质子直写技术是近几年发展起来的利用高能聚焦质子束，对光刻胶等抗蚀材料无掩模直接刻写纳米尺度结构的一种技术。

本实用新型X、Y偏转扫描控制系统6控制质子直写头7偏转的原理为：高速运动的质子在聚焦透镜的作用下汇聚成高能质子束，对质子束的运动轨迹进行控制实际上就是对质子运动轨迹的控制，当高速运动的质子沿一定角度进入磁场时，将会受到洛伦兹力的作用，并发生偏转，如附图4所示为质子入射到长度为L1的均匀磁场后的运动情况；

质子以速度V垂直射入磁感应强度为的匀强磁场中，所受磁场力(即洛伦兹力)使粒子的速度方向发生变化，其受到的洛伦兹力为：

式中：q—质子电荷；V—子运动速度；B—磁场强度；θ—运动速度与磁场强度夹角；N—线圈匝数；I—线圈励磁电流；μ₀—真空磁导率；l₀—线圈磁路长度。

由于洛伦兹力始终垂直于电荷的运动方向，质子将做圆周运动，洛伦兹力F提供向心力，即：

由式(1)和式(2)可得

质子在均匀磁场中的运动轨迹是一个半径为R的圆周运动，当质子的运动速度V(由加速电压决定)、线圈结构参数N、l₀固定的情况下，质子束的偏转半径与励磁电流大小成反比，当质子离开该磁场区域时，将沿圆周运动切线方向做直线运动，直至到达目标板材表面。

在离开质子枪的束流质子路径上增设一套偏转装置，形成X方向及Y方向偏转磁场，根据式(3)可控制质子束的偏转半径，从而实现质子束运动轨迹的精密控制，达到设计要求。

本实用新型的工作原理为：工作时，将抗蚀材料固定放置在工作台8上，同时，将需要雕刻的图案或者需要印刻的数据输入计算机1，计算机1将收到的图形和结构数据转换成直写系统控制数据，分别传递给激光控制器2、X、Y偏转扫描控制系统6，激光控制器2将收到的命令进行转化和处理，传递给飞秒激光发生器3，飞秒激光发生器3根据不同的命令产生不同功率的飞秒激光，并将飞秒激光发射，飞秒激光轰击靶标4，产生Mev级的质子束，质子束经质子聚束、选通系统5，滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，特别的选择质子束通过到达质子直写头7；X、Y偏转扫描控制系统6将接收到的计算机1的命令进行转换，并通过控制X、Y方向的控制模块驱动电磁偏转组件13工作，使得质子束按照设计轨迹偏转，做精确扫描加工，从而完成工件加工任务。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种集成电路质子直写系统，其特征在于，包括总控系统、激光控制系统、X、Y偏转控制系统：

总控系统将产生设计的图形和结构数据转换成直写系统的控制数据，同时将控制数据传递给激光控制系统和X、Y偏转控制系统；

激光控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息转化成不同功率的飞秒激光，再将飞秒激光转换为Mev级质子束，筛选；

X、Y偏转控制系统接收总控系统的控制数据，并将控制数据承载的信息传递给X、Y向控制器，X、Y向控制器通过控制X、Y控制模块驱动电磁偏转组件偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工,完成刻写任务。

2.根据权利要求1所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的总控系统为计算机(1)，将设计图纸、编程软件自动生成控制程序，控制飞秒激光发生器(3)产生飞秒激光，同时控制X、Y偏转扫描控制系统(6)进行质子直写。

3.根据权利要求2所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的激光控制系统包括激光控制器(2)、飞秒激光发生器(3)、靶标(4)和质子聚束和选通系统(5)，激光控制器(2)控制飞秒激光发生器(3)产生飞秒激光，飞秒激光轰击靶标(4)产生Mev级的质子束，质子束经质子聚束、选通系统(5)，滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，选择质子束通过。

4.根据权利要求3所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的激光控制器(2)用于接收计算机端控制命令，并发送给飞秒激光发生器(3)。

5.根据权利要求3所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的飞秒激光发生器(3)，用于接收激光控制器(2)传递的控制命令，并根据控制命令产生功率可变的飞秒激光。

6.根据权利要求3所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的靶标(4)是一种“微结构靶”，可以获得准单能的质子束，微结构靶由一层金属薄膜和薄膜背面的一块富含质子的材料构成。

7.根据权利要求3所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的质子聚束、选通系统(5)包括聚束器和选通器，所述的聚束器结构可为3段，即径向匹配段、成形段、平滑聚束段，可以为来自质子源的质子束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束，所述的选通器的主要作用是滤去激光产生的混合粒子束中除质子束外的其它粒子束，选择质子束通过。

8.根据权利要求2所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的X、Y偏转控制系统包括X、Y偏转扫描控制系统(6)和质子直写头(7)，X、Y偏转扫描控制系统(6)通过控制X、Y方向的控制模块驱动电磁偏转组件(13)偏转，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工。

9.根据权利要求8所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的X、Y偏转扫描控制系统(6)包括工控机(9)、加工控制软件(10)、电磁偏转组件(13)和X、Y控制模块，工控机(9)控制加工控制软件(10)设定工作原点，生成自动加工程序，并通过X、Y方向控制电机驱动电磁偏转组件，使质子束按照设计轨迹在X、Y方向做精确扫描加工。

10.根据权利要求9所述的一种集成电路质子直写系统，其特征在于，所述的质子直写头(7)主要是利用质子直写技术将质子束所传递的信息打到工作台(8)上的抗蚀材料上，完成质子直写头精确雕刻的任务。

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