一种直写曝光光刻系统

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，尤其涉及一种直写曝光光刻系统。

背景技术

光刻技术是半导体领域、微纳光学加工领域的核心技术，是集光、机、电、材料设计于一体的先进制造技术。激光直写是无掩模加工制作微纳衍射结构光学元件的重要技术之一。不同应用领域或同一领域的不同产品对微纳加工设备的需求各不相同。在防伪包装领域，防伪产品的微纳结构从几十纳米到几百微米，幅面从几英寸到上百英寸，部分采用电子刻蚀制版、掩模光刻制版等，但主要还是采用激光直写刻版。电子刻蚀效率低，掩模光刻无法大幅面制版，因此发展激光直写技术具有重要意义，目前已开发出各种各样的激光直写专用设备。但现有的直写光刻技术不能同时兼顾高效、高分辨、无缝套刻大幅版面的要求。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的制备缺陷，提供一种综合高效率大幅面图形化投影直写与高分辨无缝多束激光并行直写两种直写技术的直写曝光光刻系统。

为解决上述技术问题，本申请采用下述技术方案：

本申请提供了一种直写曝光光刻系统，包括:计算机(01)、控制器(02)、光源(03)、激光匀光扩束准直器(04)、第一偏振调制器(05)、第一偏振分光镜(06)、第一反射镜(07)、空间光调制器(08)、第一中继透镜(09)、第二偏振分光镜(10)、第二偏振调制器(11)、第二反射镜(20)、激光分束器(21)、多通道激光调制器(22)、第三偏振调制器(23)、第三偏振分光镜(12)、第三反射镜(24)、多通道激光偏转器(25)、运动轮盘(13)、第一光刻聚焦物镜(14)、第二光刻聚焦物镜(15)、感光材料(16)、多维运动台(17)、第二中继透镜(18)、CCD探测器(19)及第二监测对焦控制单元元件(26)；

所述计算机(01)电性连接所述控制器(02)，所述控制器(02)电性连接所述光源(03)，所述计算机(01)用于向所述控制器(02)提供光刻图像和数据信息，所述控制器(02)根据所述光刻图像和数据信息控制所述光源(03)的开关；所述第一光刻聚焦物镜(14)与第二刻光聚焦物镜(15)安装于所述运动轮盘(13)上，所述第一光刻聚焦物镜(14)与所述第二光刻聚焦物镜(15)具有不同的光刻聚焦性能，所述运动轮盘(13)电性连接于所述控制器(02)，所述控制器(02)可控制所述运动轮盘(13)的移动，以实现所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)不同的光刻聚焦性能的切换；所述感光材料(16)设置于所述多维运动台(17)上，所述多维运动台(17)电性连接所述控制器(02)，所述控制器(02)可控制所述多维运动台(17)的运动；所述运动轮盘(13)安装有所述第二监测对焦控制单元组件(26)，所述第二监测对焦控制单元组件(26)还电性连接所述控制器(02)；

所述光源(03)出射的激光光束依次经所述激光匀光扩束准直器(04)、第一偏振调制器(05)进入所述第一偏振分光镜(06)，调节所述第一偏振调制器(05)可改变入射的激光光束的偏振态，以使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)透射或被所述第一偏振分光镜(06)反射；

当调节所述第一偏振调制器(05)改变入射的激光光束的偏振态，使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)透射后投射到所述第一反射镜(07)，所述激光光束经所述第一反射镜(07)反射后以一定角度入射至所述空间光调制器(08)，所述空间光调制器(08)对入射的光束进行调制后再反射出携带图像信息的空间光束，所述的携带图像信息的空间光束依次经所述第一中继透镜(09)、所述第二偏振分光镜(10)、所述第二偏振调制器(11)后投射进入所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)，所述携带图像信息的空间光束经所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)聚焦后投射到所述感光材料(16)上并形成目标微纳结构；所述感光材料(16)还将部分光反射至所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)，从所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)反向透射出来的返回光直接穿过所述第三偏振分光镜(12)，并进入所述第二偏振调制器(11)；调节所述第二偏振调制器(11)，使返回的光束被所述第二偏振分光镜(10)反射投射到所述第二中继透镜(18)，光束透过所述第二中继透镜(18)后投射到所述CCD探测器(19)，所述CCD探测器(19)将探测到的图像数据反馈到所述控制器(02)，所述控制器(02)根据接收到的数据分析光刻离焦情况，从而控制所述多维运动台(17)进行调焦，从而完成图形化投影直写模式；

当调节所述第一偏振调制器(05)改变入射的激光光束的偏振态，使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)反射后投射到所述第二反射镜(20)，经所述第二反射镜(20)反射的光束入射进入所述激光分束器(21)，所述激光分束器(21)将入射的激光束分成多束平行的细光束阵列，并投射至所述多通道激光调制器(22)，在所述控制器(02)的控制下，所述多通道激光调制器(22)的每个通道分别对每束细光束进行独立调制，被所述多通道激光调制器(22)调制后的多束平行光束被投射到所述第三偏振调制器(23)，调节所述第三偏振调制器(23)以调整入射的激光偏振态，使激光束阵列被所述第三偏振分光镜(12)透射并被所述第三反射镜(24)牵引至所述多通道激光偏转器(25)，在所述控制器(02)控制下，所述多通道激光偏转器(25)的每个通道分别对与其匹配的光束进行偏转调制，被所述多通道激光偏转器(25)调制后的多束激光束被投射至所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)，被所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)聚焦的成像光束投到所述感光材料(16)上，所述控制器(02)控制所述多维运动台(17)运动以带动所述感光材料(16)按设定的运动方式协调工作，所述第二监测对焦控制单元组件(26)测量所述感光材料(16)的平面在垂直方向上的起伏变化并反馈给所述控制器(02)，所述控制器(02)分析接收到的数据并控制所述多维运动台(17)进行运动调整对焦，从而达到光刻的目的。

在其中一些实施例中，所述光源(03)为单纵模偏振激光器，输出波长为405nm；或标称波长处于范围为375nm-475nm的任一值的激光光源或LED光源。

在其中一些实施例中，所述激光匀光扩束准直器(04)包括至少两个不同焦距的透镜及设置于所述透镜之间的激光动态散斑衰减片，所述激光匀光扩束准直器(04)的扩束倍率为25倍。

在其中一些实施例中，所述激光动态散斑衰减片设置有驱动器，所述驱动器带动所述激光动态散斑衰减片高频旋转或振动。

在其中一些实施例中，所述第一偏振分光镜(06)应用于波长范围为375nm～475nm的偏振激光。

在其中一些实施例中，所述激光分束器(21)为光纤阵列分束器或微透镜阵列。

在其中一些实施例中，所述多通道激光调制器(22)为多通道声光调制器，每通道的光强调制范围均为0-100％。

在其中一些实施例中，所述多通道激光偏转器(25)为多通道声光偏转器，每通道对光束偏转的角度为范围为0-60mrad。

在其中一些实施例中，所述空间光调制器(08)包括DMD微镜阵列。

在其中一些实施例中，所述第一中继透镜(09)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)组成远场校正成像系统。

在其中一些实施例中，所述第二中继透镜(18)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)组成远场校正成像系统。

在其中一些实施例中，所述第二监测对焦控制单元组件(26)为精密移传感器，其工作测量精度为10nm，其工作距离范围为1mm-50mm。

本申请采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本申请提供的直写曝光光刻系统，包括:计算机(01)、控制器(02)、光源(03)、激光匀光扩束准直器(04)、第一偏振调制器(05)、第一偏振分光镜(06)、第一反射镜(07)、空间光调制器(08)、第一中继透镜(09)、第二偏振分光镜(10)、第二偏振调制器(11)、第二反射镜(20)、激光分束器(21)、多通道激光调制器(22)、第三偏振调制器(23)、第三偏振分光镜(12)、第三反射镜(24)、多通道激光偏转器(25)、运动轮盘(13)、第一光刻聚焦物镜(14)、第二光刻聚焦物镜(15)、感光材料(16)、多维运动台(17)、第二中继透镜(18)、CCD探测器(19)及第二监测对焦控制单元元件(26)，本申请提供的直写曝光光刻系统，综合高效率大幅面图形化投影直写与高分辨无缝激光束直写两种直写技术，将两种直写技术混合光刻可提高光刻效率和降低生产制造成本。

附图说明

图1为本实施例提供的直写曝光光刻系统的结构示意图。

图2为本实施例提供的激光匀光扩束准直器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

请参阅图1，为本申请提供的直写曝光光刻系统的结构示意图，包括：计算机(01)、控制器(02)、光源(03)、激光匀光扩束准直器(04)、第一偏振调制器(05)、第一偏振分光镜(06)、第一反射镜(07)、空间光调制器(08)、第一中继透镜(09)、第二偏振分光镜(10)、第二偏振调制器(11)、第二反射镜(20)、激光分束器(21)、多通道激光调制器(22)、第三偏振调制器(23)、第三偏振分光镜(12)、第三反射镜(24)、多通道激光偏转器(25)、运动轮盘(13)、第一光刻聚焦物镜(14)、第二光刻聚焦物镜(15)、感光材料(16)、多维运动台(17)、第二中继透镜(18)、CCD探测器(19)及第二监测对焦控制单元元件(26)。以下详细说明上述光学部件之间的连接关系及其实现方式。

具体地，所述计算机(01)电性连接所述控制器(02)，所述控制器(02)电性连接所述光源(03)，所述计算机(01)用于向所述控制器(02)提供光刻图像和数据信息，所述控制器(02)根据所述光刻图像和数据信息控制所述光源(03)的开关。

在其中一些实施例中，所述光源(03)为单纵模偏振激光器，输出波长为405nm；或标称波长处于范围为375nm-475nm的任一值的激光光源或LED光源。

在其中一些实施例中，所述激光匀光扩束准直器(04)包括至少两个不同焦距的透镜及设置于所述透镜之间的激光动态散斑衰减片，所述激光匀光扩束准直器(04)的扩束倍率为25倍。

具体地，所述激光动态散斑衰减片设置有驱动器，所述驱动器带动所述激光动态散斑衰减片高频旋转或振动，从而起到减弱激光的空间相干性的作用，达到匀光消散斑的目的。

请参阅图2，为本实施例提供的激光匀光扩束准直器(04)的结构示意图，包括：聚焦镜组(051)、激光动态散斑衰减片(052)、高频振动器(053)及准直镜组(054)，激光动态散斑衰减片(052)设置于所述聚焦镜组(051)及准直镜组(054)之间，所述高频振动器(053)连接于所述激光动态散斑衰减片(052)。

优选地，聚焦镜组(051)是凸透镜，焦距为10mm；准直镜组(054)是凸透镜，焦距为250mm；激光动态散斑衰减片(052)是随机相位片，并装置于聚焦镜组(051)及准直镜组(054)的共焦面上；所述激光动态散斑衰减片(052)上装有高频振动器(053)，高频振动器(053)带动激光动态散斑衰减片(052)高频振动，从而达到衰减激光散斑、匀化激光的目的。

优选地，所述高频振动器(053)振动频率为300Hz；经过激光动态散斑衰减片(052)后的发散激光束被准直镜组(054)准直输出。

需要说明的是，本申请提供的一种激光匀光扩束准直器(04)可以为结构更为复杂的可连续变倍扩束的激光匀光扩束准直器，此处不作赘述。

在其中一些实施例中，所述第一偏振分光镜(06)应用于波长范围为375nm～475nm的偏振激光，所述第一偏振分光镜(06)对不同偏振状态的激光束有不同的透射率和反射率，调节所述第一偏振调制器(05)可改变入射的激光光束的偏振态，以使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)透射或被所述第一偏振分光镜(06)反射。

在其中一些实施例中，所述第一偏振调制器(05)及所述第二偏振调制器(11)为半波片，通过调节第一偏振调制器(05)可改变激光光束的偏振状态。

在其中一些实施例中，所述空间光调制器(08)包括DMD微镜阵列，所述空间光调制器(08)可接收控制器(02)发送的光刻图形信息，并根据图形信息对入射到其表面的激光束进行调制，并将调制后携带图形信息的空间光束反射出去。

具体地，所述第一光刻聚焦物镜(14)与第二刻光聚焦物镜(15)安装于所述运动轮盘(13)上，所述第一光刻聚焦物镜(14)与所述第二光刻聚焦物镜(15)具有不同的光刻聚焦性能，所述运动轮盘(13)电性连接于所述控制器(02)，所述控制器(02)可控制所述运动轮盘(13)的移动，以实现所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)不同的光刻聚焦性能的切换。

具体地，所述感光材料(16)设置于所述多维运动台(17)上，所述多维运动台(17)电性连接所述控制器(02)，所述控制器(02)可控制所述多维运动台(17)的运动。

在其中一些实施例中，所述第一中继透镜(09)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)组成远场校正成像系统。可以理解，采用远场校正成像系统优势在于所述第一中继透镜(09)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)之间有足够的空间插入其它光学元件而不影响光刻结果。

在其中一些实施例中，所述第二中继透镜(18)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)组成远场校正成像系统。可以理解，采用远场校正成像系统优势在于所述第二中继透镜(18)与所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)之间有足够的空间插入其它光学元件而不影响后续CCD探测器(19)的探测结果。

在其中一些实施例中，所述第一光刻聚焦物镜(17)及所述第二光刻聚焦物镜(18)可以是单个镜头，也可以多个镜头的镜头组。可以理解，通过所述控制器(02)可控制所述运动轮盘的移动，从而可按实际需求切换不同镜头。

在其中一些实施例中，所述激光分束器(21)为光纤阵列分束器或微透镜阵列。

在其中一些实施例中，所述多通道激光调制器(22)为多通道声光调制器，每通道的光强调制范围均为0-100％。

在其中一些实施例中，所述多通道激光偏转器(25)为多通道声光偏转器，每通道对光束偏转的角度为范围为0-60mrad。

进一步地，每通道对光束偏转的角度为30mrad。

具体地，所述运动轮盘(13)安装有所述第二监测对焦控制单元组件(26)，所述第二监测对焦控制单元组件(26)还电性连接所述控制器(02)。

进一步地，所述第二监测对焦控制单元组件(26)为精密移传感器，其工作测量精度为10nm，其工作距离范围为1mm-50mm。

本申请上述实施例提供的直写曝光光刻系统，其工作方式如下：

所述光源(03)出射的激光光束依次经所述激光匀光扩束准直器(04)、第一偏振调制器(05)进入所述第一偏振分光镜(06)，调节所述第一偏振调制器(05)可改变入射的激光光束的偏振态，以使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)透射或被所述第一偏振分光镜(06)反射；

当调节所述第一偏振调制器(05)改变入射的激光光束的偏振态，使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)透射后投射到所述第一反射镜(07)，所述激光光束经所述第一反射镜(07)反射后以一定角度入射至所述空间光调制器(08)，所述空间光调制器(08)对入射的光束进行调制后再反射出携带图像信息的空间光束，所述的携带图像信息的空间光束依次经所述第一中继透镜(09)、所述第二偏振分光镜(10)、所述第二偏振调制器(11)后投射进入所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)，所述携带图像信息的空间光束经所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)聚焦后投射到所述感光材料(16)上并形成目标微纳结构；所述感光材料(16)还将部分光反射至所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)，从所述第一光刻聚焦物镜(14)或所述第二光刻聚焦物镜(15)反向透射出来的返回光直接穿过所述第三偏振分光镜(12)，并进入所述第二偏振调制器(11)；调节所述第二偏振调制器(11)，使返回的光束被所述第二偏振分光镜(10)反射投射到所述第二中继透镜(18)，光束透过所述第二中继透镜(18)后投射到所述CCD探测器(19)，所述CCD探测器(19)将探测到的图像数据反馈到所述控制器(02)，所述控制器(02)根据接收到的数据分析光刻离焦情况，从而控制所述多维运动台(17)进行调焦，从而完成图形化投影直写模式。

当调节所述第一偏振调制器(05)改变入射的激光光束的偏振态，使所述激光光束被所述第一偏振分光镜(06)反射后投射到所述第二反射镜(20)，经所述第二反射镜(20)反射的光束入射进入所述激光分束器(21)，所述激光分束器(21)将入射的激光束分成多束平行的细光束阵列，并投射至所述多通道激光调制器(22)，在所述控制器(02)的控制下，所述多通道激光调制器(22)的每个通道分别对每束细光束进行独立调制，被所述多通道激光调制器(22)调制后的多束平行光束被投射到所述第三偏振调制器(23)，调节所述第三偏振调制器(23)以调整入射的激光偏振态，使激光束阵列被所述第三偏振分光镜(12)透射并被所述第三反射镜(24)牵引至所述多通道激光偏转器(25)，在所述控制器(02)控制下，所述多通道激光偏转器(25)的每个通道分别对与其匹配的光束进行偏转调制，被所述多通道激光偏转器(25)调制后的多束激光束被投射至所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)，被所述第一光刻聚焦物镜(14)或第二光刻聚焦物镜(15)聚焦的成像光束投到所述感光材料(16)上，所述控制器(02)控制所述多维运动台(17)运动以带动所述感光材料(16)按设定的运动方式协调工作，所述第二监测对焦控制单元组件(26)测量所述感光材料(16)的平面在垂直方向上的起伏变化并反馈给所述控制器(02)，所述控制器(02)分析接收到的数据并控制所述多维运动台(17)进行运动调整对焦，从而达到光刻的目的。

本申请上述实施例提供的直写曝光光刻系统，综合高效率大幅面图形化投影直写与高分辨无缝激光束直写两种直写技术，将两种直写技术混合光刻可提高光刻效率和降低生产制造成本。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。