一种直写式光刻加工系统及光刻方法技术方案

一种直写式光刻加工系统和光刻方法，该光刻加工系统包括能够运用傅立叶展开计算功能的控制系统和由该控制系统控制实现多次光刻的曝光系统。该光刻方法依据傅立叶分析原理，将待刻曲面展开为傅立叶多项式，然后根据多项式中各项余弦函数进行多次光刻，使得多此光刻叠加后实现目标曲面的刻蚀。通过本发明专利技术的实施，能够对任意大幅面的三维曲面进行刻蚀，并且具有较高的设计灵活性、刻蚀效率和精确度，以及较低的成本等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光刻
，具体地，是一种用于制备三维曲面的直写式光刻加工系统和光刻方法。
技术介绍
三维曲面(微)结构，在光学薄膜、平板显不、微光学器件以及微机电系统(MEMS)等诸多领域具有广泛应用。例如，具有球面结构的微透镜阵列，也被称为蝇眼透镜，可实现光束匀化和阵列成像，广泛应用于光刻机光源和CCD检测等领域。又例如，具有V型沟槽和金字塔结构的光学薄膜，具有定向反射的光学效果，广泛应用于公共交通领域的安全标识。目前三维曲面(微)结构的制作方法主要有，特殊物理和化学工艺方法、精密机械加工和光刻加工共三大类方法，逐一分析如下。特殊的物理和化学工艺方法，是指利用特殊的物理和化学效应生成特定的三维曲面的加工方法。例如，对光刻胶和玻璃等低熔点材料，采用热熔回流的处理方法，依靠重力和液体的表面张力，很容易获得球面以及柱面结构。又例如，利用晶体硅的各项异性，进行化学腐蚀，可以获得V型和金字塔型的槽型结构。这类方法的优点是成本低廉，曲面质量良好，但是主要缺点是，只能制备特定的少数几种曲面结构类型，通用性和灵活性很差。精密机械加工方法，采用金刚石车床和数控精雕机等精密和超精密加工机床进行材料切削加工，主要设备供应商以日本东芝和德国库格勒等公司为代表。该加工方式获得曲面微结构，面形精度良好，尺寸精准可控，特别适合大批量光学器件和光学薄膜的模具制作。该方法主要有三点不足，一是，设备价格昂贵，加工成本高，小批量加工难以承受；二是，加工效率低。这是因为精密切削加工获得所需面形的原理是，由点组成线，由线组成面，从根本上说，是一种串行方式，因而效率相对较低。另外，深度很大的面形，往往需要多次加工，否则会损伤刀具；三是，可加工的曲面类型不够丰富，灵活性差。一般只能加工回转面和条纹面等较为简单的曲面结构。特殊曲面和槽型的加工，需要首先对刀具进行精密整形，费工费时。光刻方法生成曲面结构，一般称为灰度光刻，具体的实现方法有掩膜光刻、电子束光刻以及激光直写。具体分析如下掩膜光刻的主要不足是其加工的灵活性较差。掩膜光刻是一种基于模版加工，在掩膜光刻之前，必须首先制备曝光的铬板。另外，采用掩膜曝光进行灰度光刻时，无法对曝光光强的进行精密控制，最终曲面的面形精度有限。灰度光刻一般采用灰度掩膜，这种灰度掩膜表面分布密度不均的网点，需要曝光量大的地方，则网点密度大，透过的光比较大，需要曝光量小的地方，则将网点密度降低，使透过的光比较小。通过这种网点的疏密，近似表达所需的灰度效果，不够严格和精密，所形成的灰度图形的分辨率往往较低。 电子束光刻系统的成本很高，而且加工效率极低。由于真空腔体的体积的限制，其加工幅面通常很小。另外，由于电子束的曝光原理的特殊性(高能粒子轰击产生散射)，其曝光工艺不利于获得镜面级的光洁表面。最后分析激光直写。第一类激光直写系统，采用振幅型空间光调制器和成像光路。这里的振幅型空间光调制器，典型代表DMD和LC0S。DMD的直接输出光场为黑白二值的，但是通过分时累计曝光，可以实现灰度光强。LCOS工作在振幅调制工作方式下，可以直接输出灰度光场。受限于空间光调制器的像素化结构和多级式灰度，其光场灰度的连续性和准确性仍然不够理想。另外，这类光刻系统在进行灰度光刻时，为了减小光学吉布斯现象，一般不宜采用激光光源(相干光)，无法实现飞行曝光方式。所谓光学吉布斯现象是指，由于其成像光路的孔径限制，其输入光场的高频信息被滤除，导致其曝光生成曲面结构(包括平面结构)时，光场的边缘和中部均有波纹和起伏。如图1所示。这类光刻系统在进行灰度光刻时，一般采用汞灯和LED等非相干光源，以提高灰度光刻的质量。与激光相比，这些光源难以实现高能量短脉冲飞行曝光方式，在加工效率和定位精度上仅处于中低端水平。需要额外提及的是，以LCOS作为纯位相的器件，通过光场重构的方法，理论上可以实现任意轮廓的光场分布。这种加工方式的主要缺点是，再现光场的噪声很大，并且难以消除多级光的影响。另外，傅立叶重构的算法虽然有多种，包括G-S算法和Y-G算法等，但是很难获得曲面光场分布的最优解。另一类，激光直写系统，采用光束扫描器件(或者说偏转器件)和聚焦光路。其输出光场为单个聚焦点，通过对单光点扫描的精密均匀叠加，可以实现上述的精密曲面微结构。但是其主要问题是单点扫描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光学扫描器件的设备成本很高。总之，现有加工方法无法直接地、高效地、精密地、低成本地制作大幅面的精密曲面微结构。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种采用干涉光路和多次曝光叠加的直写式光刻加工系统和光刻方法，用于三维曲面(微)结构制备。叠加曝光的原理基于傅立叶分析理论。根据该理论，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，这也被称为傅立叶级数展开。对于非周期函数，通过对其定义域进行周期性扩展，也可将其视为周期函数，从而仍可通过傅立叶级数展开。在傅立叶级数展开的具体方式中，为了匹配干涉光刻曝光光强的余弦分布，可以采用偶式展开(将函数扩展成偶函数)，从而使得傅立叶级数的展开项中只含有余弦项，而不含正弦项。双光束干涉光路，可以获得严格的余弦类型的曝光光强分布，这一点分析如下。双光束干涉曝光的光场复振幅分布E为余弦函数，可以记为E=cos(a)，其中a=2 x/d，d为余弦分布的周期，X为几何坐标。光强分布I等于复振幅分布E的平方，可以记为I=E2=COS2 (a) =l/2+cos (2a)/2。可以看到，光强分布仍是余弦分布，前面的常数项只会使光刻后的曲面整体下移，对曲面轮廓没有影响。根据上述分析，通过多次干涉曝光累积，同时设定各次干涉曝光的余弦光强分布的周期，并且控制各次干涉曝光的剂量，可以最终在光刻胶上累积获得所设计的特定分布的曝光剂量，显影后即可可以获得相应的三维曲面结构。由此，本专利技术依据上述理论，结合本专利技术的目的提出的一种直写式光刻加工系统，曝光系统和控制系统，所述曝光系统包括光源、分光器件、第一光学镜组、可变光阑和第二光学镜组，所述分光器件为空间光调制器，所述第一光学镜组和第二光学镜组组成缩放投影光学镜组，所述可变光阑具有位置可调的单级光通孔，该曝光系统按光源、分光器件、第一光学镜组、可变光阑和第二光学镜组的顺序组成曝光光路，所述控制系统包括用于将三维曲面进行傅里叶展开的计算器和根据上述计算器得到的傅里叶多项式进行曝光控制的驱动控制器，其中所述驱动控制器包括用以驱动空间光调制器显示的驱动电路、用以控制可变光阑单级光通孔位置的单轴驱动电机，以及用以驱动整个曝光系统进行移动的三轴驱动电机。优选的，所述空间光调制器为数字微镜元件(Digital Micro mirror Device)或者娃基液晶(Liquid Crystal on Silicon)。优选的，所述可变光阑包括零级光挡片以及位于该零级光挡片两侧的正负I级光可变挡片，所述正负I级光可变挡片与所述零级光挡片之间形成正负I级光通孔。优选的，所述正负I级光可变挡片分别连接在所述单轴驱动电机上，通过该单轴驱动电机的驱动，所述正负I级光挡片在所有挡片形成的轴线上做相对移动，使得该正负I级光挡片与所述零级光挡片之间形成的正负I级光通孔的位置与所述空间光调制器经所述第一光学镜组投影过来的I级光位置对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直写式光刻加工系统，包括曝光系统和控制系统，其特征在于：所述曝光系统包括光源、分光器件、第一光学镜组、可变光阑和第二光学镜组，所述分光器件为空间光调制器，所述第一光学镜组和第二光学镜组组成缩放投影光学镜组，所述可变光阑具有位置可调的单级光通孔，该曝光系统按光源、分光器件、第一光学镜组、可变光阑和第二光学镜组的顺序组成曝光光路，所述控制系统包括用于将三维曲面进行傅里叶展开的计算器和根据上述计算器得到的傅里叶多项式进行曝光控制的驱动控制器，其中所述驱动控制器包括用以驱动空间光调制器显示的驱动电路、用以控制可变光阑单级光通孔位置的单轴驱动电机，以及用以驱动整个曝光系统进行移动的三轴驱动电机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡进，浦东林，陈林森，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：