CN216351771U - 一种直写式光刻机的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种直写式光刻机的光学系统，包括多个相同的光学子系统，每个光学子系统包括：照明模块，配置为产生光刻所需的照明光束；空间光调制模块，配置为对照明光束进行调制以形成图形光；第一双远心成像模块，配置为对所述空间光调制模块产生的图形光进行成像，以形成像面光斑；微透镜阵列模块，配置为将所述第一双远心成像模块形成的像面光斑聚焦成为光斑阵列；第二双远心成像模块，配置为将光斑阵列再次成像并投射到基板上；调焦模块，包括可相对移动的上直角楔形棱镜和下直角楔形棱镜，配置为调节所述光学子系统的焦面。采用上述光学子系统能够显著提高光刻图形的精度。

Description

一种直写式光刻机的光学系统

技术领域

本实用新型属于光刻技术领域，具体涉及一种直写式光刻机的光学系统。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，诸如手机、平板、电脑、电视等数码产品的使用已处处可见，这些数码产品的重要组成部件可能包括芯片、电路板、显示面板、半导体器件等。产品的迭代加速不仅带来对这些组成部件量的需求提升，还使得对其性能的要求提高。这就要求其加工周期缩短并且集成度能够提高。光刻加工用于在上述各种基底表面上印刷具有特征的构图，是这些组成部件加工周期的重要一环。而光刻加工分为掩模式光刻和直写式光刻，掩模式光刻虽然精度高，有利于提高集成度，但掩模板制作要求高、周期长，难以满足大批量的需求。而基于数字微镜器件的直写式光刻能够灵活的实现不同图形的转印，工艺相对简单且成本较低，正广泛应用于电路板和半导体器件的电路图形制作。但目前常规的直写式光刻机的光学系统的焦面是在设计完成时已经确定的，而在进行直写光刻时待加工基板可能存在摆放倾斜及表面凹凸的情况，这就造成基板表面实际上偏离了光学系统的焦面，导致光刻图形的线宽精度仅能达到20-50微米，无法满足更高精度（如线宽在10微米及以下）的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种直写式光刻机的光学系统，以克服现有直写式光刻精度低的问题。为此，本实用新型采用如下的技术方案：

一种直写式光刻机的光学系统，包括多个相同的光学子系统，每个光学子系统包括：照明模块，配置为产生光刻所需的照明光束；空间光调制模块，配置为对照明光束进行调制以形成图形光；第一双远心成像模块，配置为对所述空间光调制模块产生的图形光进行成像，以形成像面光斑；微透镜阵列模块，配置为将所述第一双远心成像模块形成的像面光斑聚焦成为光斑阵列；第二双远心成像模块，配置为将光斑阵列再次成像并投射到基板上；调焦模块，包括可相对移动的上直角楔形棱镜和下直角楔形棱镜，配置为调节所述光学子系统的焦面。

优选地，所述照明模块包括光源组件和光束整形组件，所述光源组件可以产生单一波长或混合波长的光束，所述光束整形组件用于对光源产生的光束进行匀光处理以及束面整形。

优选地，所述空间光调制模块为数字微镜器件，包括可控翻转的数字微镜阵列，所述数字微镜阵列的成像面与所述第一双远心成像模块的物面重合。

优选地，所述微透镜阵列由多个阵列排布的微透镜组成，所述微透镜阵列位于所述第一双远心成像模块的成像面位置。

优选地，所述每个微透镜的中心与所述数字微镜器件的像素点的中心位置相对应，所述每个微透镜的直径等于所述数字微镜器件单个像素点的尺寸与所述第一双远心成像模块的放大倍率的乘积。

优选地，所述上直角楔形棱镜和所述下直角楔形棱镜的斜面相对设置，斜面之间的间隙距离在0.05mm-0.5mm范围内。

优选地，所述上直角楔形棱镜和/或所述下直角楔形棱镜通过驱动装置带动其沿斜面所在的平面进行平移。

优选地，所述多个光学子系统配置为多行相互交错的排列方式。

优选地，所述多个光学子系统配置为单行排列的方式。

优选地，所述每个光学子系统还包括分光模块，所述分光模块具有至少两组相对基板成像面倾斜方向相反的光学元件，每组光学元件在X和Y方向都有倾斜角，配置为将从调焦模块出射的光束分为两部分投射到基板上。

与现有技术相比，本实用新型的光学系统通过设置两个双远心成像模块并在两者之间设置微透镜阵列，可使光学系统的图形光束更精细，光刻精度满足更高要求；此外通过调焦模块可调节光学系统的焦面位置，避免基板表面凹凸、倾斜造成的成像面变化而引起的图形精度不够高的情况；针对单行排列的光学系统设置分光模块还能够使相邻光学子系统的条带能够一次性拼接完成，提高整个系统的光刻加工效率。

附图说明

图1为光学子系统排列形式示意图。

图2为第一实施例的光学子系统示意图。

图3为调焦模块两种状态示意图。

图4为第二实施例的光学子系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本实用新型的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本实用新型，而不是用于穷举本实用新型的所有可行方式，更不是用于限制本实用新型的具体实施范围。基于下述的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

直写式光刻机至少包括光学系统、运动平台系统以及控制系统。光学系统用于产生根据外部输入的电路图形进行调制的图形光束，运动平台系统能够带动基板在至少三个方向运动，即图中示出的XYZ方向，通过光学系统产生连续和/或间歇变换的图形光配合基板的同步运动，从而以扫描的方式完成调制光束在基板上形成电路图形。光学系统的设计对于直写式光刻机的精度尤为重要。

本实用新型提供的光学系统包括多个相同的光学子系统，多个光学子系统可以采用图1中a示出的单行排列的方式，也可以采用图1中b示出的多行相互交错的排列方式，通过每个光学子系统产生的光条带完成对基板的光刻加工，从而在基板上拼接出完整的电路图形。

以下详细介绍每个光学子系统的配置形式。

光学子系统的第一实施例如图1所示，光学子系统包括照明模块1、空间光调制模块2、第一双远心成像模块3、微透镜阵列模块4、第二双远心成像模块5以及调焦模块6。

具体地，照明模块1包括光源组件（图中未示出）和光束整形组件11，光源组件选用半导体激光器，可以产生单一波长的光束，也可以根据需要配置为产生混合波长的光束。光束整形组件11用于对光源产生的光束进行匀光处理以及束面整形。其中，均光处理是指改善光束的均匀性，使其能量和或照度分布均匀，可选用匀光方棒或是复眼透镜；束面整形是指改变光束横截面使其满足后端的需求。进一步地，照明模块还可以包括偏转组件12，使光路实现转折以照射到空间光调制模块2。

具体地，空间光调制模块2用于根据外部输入的图形对光束进行调制，其可以采用数字微镜器件（DMD：Digital Micromirror Device），DMD自身可配置有控制器，用于根据图形数据选择性的控制其上的微镜阵列的翻转，以产生图形光照射入后续的第一双远心成像模块。

具体地，第一双远心成像模块3，可对数字微镜阵列产生的图形光进行成像，以形成像面光斑。优选的，第一双远心成像模块3的物面与数字微镜阵列的成像面重合。

具体地，微透镜阵列4位于第一双远心成像模块3的成像面位置，用于将第一双远心成像模块3形成的像面光斑聚焦成为光斑阵列。微透镜阵列4是由阵列排布的多个微透镜组成，每个微透镜的中心与DMD的像素点的中心位置相对应，每个微透镜的直径等于单个像素点的尺寸与第一双远心成像模块3的放大倍率的乘积。通过微透镜阵列4的设置将光斑细化，使得图形线宽更精细，满足高精度需求。

具体地，第二双远心成像模块5，用于将光斑阵列再次成像，穿过调焦模块6后投射到基板上，从而在基板形成图案。

具体地，调焦模块6用于调节整个子系统的焦面，该调焦模块6由两块形状相同的直角楔形棱镜与驱动装置组成，两块直角楔形棱镜分别为上直角楔形棱镜61和下直角楔形棱镜62，两块楔形棱镜的斜面相对设置，使得两块棱镜近似拼接成为长方体。优选地，两块楔形棱镜相对的斜面之间具有微小的间隙，间隙距离在0.05mm-0.5mm范围内，进一步的，基于光学性能、安装难易程度与驱动装置的精度的综合考虑，间隙距离优选为0.2mm，既符合光学性能要求，安装中又无需过于复杂的定位检测手段，同时避免驱动装置的位置误差与运动误差造成移动中斜面贴合而磨损棱镜表面。在一个实施方式中，其中一块楔形棱镜固定设置，另一块可通过驱动装置带动其沿斜面所在的平面进行平移，图3示出两块楔形棱镜在两种位置状态下的示意图，在从左侧状态变化到右侧状态时，光束在楔形棱镜中传输的路径距离由d1变为d2，从而有效光程发生改变，光学子系统的焦面随之产生变化。在实际应用中，可根据系统结构布局需要选择固定上直角楔形棱镜或是固定下直角楔形棱镜。在另外一个实施方式中，两块楔形棱镜均能通过驱动装置带动其沿斜面所在的平面进行平移。通过楔形棱镜的相对平移，改变光束在棱镜中传输的距离，从而改变系统的焦面。

光学子系统的第二实施例如图4所示，本实施例针对相邻两个光学子系统产生的光条带无法一次性拼接，例如多个光学子系统采用图1中a示出的单行排列方式，由于单行排列时光学子系统的外壳存在，导致两者产生的光条带之间会存在间距；或是光学子系统的放大倍率较小，即便是采用相互交错的排列方式，错位相邻的子系统产生的光条带也可能存在间距。为此本实施例的光学子系统除了包括照明模块1、空间光调制模块2、第一双远心成像模块3、微透镜阵列模块4、第二双远心成像模块5、调焦模块6，还包括分光模块7，分光模块7用于将从调焦模块出射的光束分为两部分投射到基板上，其包括至少两组相对基板成像面倾斜方向相反的光学元件，每组光学元件在X和Y方向都有倾斜角，从调焦模块6出射的光束被两组光学元件分为两部分投射到基板的两个成像区域。具体的每组光学元件包括两个平行相对的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜在X、Y方向都有倾斜角，第一反射镜朝向调焦模块，接收调焦模块7的出射光束并将光束反射至所述第二反射镜，第二反射镜将光束反射至基板的成像面。通过设置分光模块使得单个光学子系统产生的光条带变宽，以使相邻光学子系统的光条带能够一次性拼接完成，提高整个系统的光刻加工效率。

最后需要指出的是，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本实用新型并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本实用新型的保护范围。因此本实用新型的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种直写式光刻机的光学系统，包括多个相同的光学子系统，其特征在于，每个光学子系统包括：

照明模块，配置为产生光刻所需的照明光束；

空间光调制模块，配置为对照明光束进行调制以形成图形光；

第一双远心成像模块，配置为对所述空间光调制模块产生的图形光进行成像，以形成像面光斑；

微透镜阵列模块，配置为将所述第一双远心成像模块形成的像面光斑聚焦成为光斑阵列；

第二双远心成像模块，配置为将光斑阵列再次成像并投射到基板上；

调焦模块，包括可相对移动的上直角楔形棱镜和下直角楔形棱镜，配置为调节所述光学子系统的焦面。

2.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述照明模块包括光源组件和光束整形组件，所述光源组件可以产生单一波长或混合波长的光束，所述光束整形组件用于对光源产生的光束进行匀光处理以及束面整形。

3.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述空间光调制模块为数字微镜器件，包括可控翻转的数字微镜阵列，所述数字微镜阵列的成像面与所述第一双远心成像模块的物面重合。

4.如权利要求3所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述微透镜阵列由多个阵列排布的微透镜组成，所述微透镜阵列位于所述第一双远心成像模块的成像面位置。

5.如权利要求4所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述每个微透镜的中心与所述数字微镜器件的像素点的中心位置相对应，所述每个微透镜的直径等于所述数字微镜器件单个像素点的尺寸与所述第一双远心成像模块的放大倍率的乘积。

6.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述上直角楔形棱镜和所述下直角楔形棱镜的斜面相对设置，斜面之间的间隙距离在0.05mm-0.5mm范围内。

7.如权利要求6所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述上直角楔形棱镜和/或所述下直角楔形棱镜通过驱动装置带动其沿斜面所在的平面进行平移。

8.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述多个光学子系统配置为多行相互交错的排列方式。

9.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述多个光学子系统配置为单行排列的方式。

10.如权利要求1所述的直写式光刻机的光学系统，其特征在于，所述每个光学子系统还包括分光模块，所述分光模块具有至少两组相对基板成像面倾斜方向相反的光学元件，每组光学元件在X和Y方向都有倾斜角，配置为将从调焦模块出射的光束分为两部分投射到基板上。

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