一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法

专利名称：一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法
技术领域：
本发明涉及光刻技术领域，特别是涉及一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法。
背景技术：
光学的光刻技术可用于衍射光栅、激光全息图、全息光学元件等产品的制作，因而在光刻制版、防伪、微光学等领域具有广泛应用，近年来更不断进步，成为推动半导体技术、激光技术、微加工技术和微电子产业等科学和产业高速发展的一个重要因素。包括我国在内的多个国家都在大力研制各种光学光刻系统。 光刻技术经历了从传统的接触式曝光，到光学投影光刻，更进一步到目前先进的干涉光刻、成像干涉光刻、全息光刻、原子光刻等新型光刻技术的发展。下面分别对各种光刻技术进行简要介绍基于接触式曝光的光刻机结构简单、价格低廉、发展较为成熟，但是存在对掩模制作要求较高的问题，因此分辨率受限，其分辨率通常在I微米左右，而且光刻胶直接和掩模板接触，极易磨损。但是由于其成本低廉，现在仍在对分辨率要求较低的领域有较广泛应用。光学投影光刻是目前主流光刻技术之一，通过投影将结构图形缩小打印在光刻胶上，其优点是分辨率较高、不污染掩模板和光刻胶版。该技术存在的问题主要有分辨率受到激光波长和光刻投影镜头的限制，很短波长的激光和高分辨率的微缩投影镜头都是非常昂贵且复杂的。为使用更短的波长来提闻分辨率，极紫外光刻技术、X射线光刻技术和电子束光刻技术被应用于光刻系统的研制，采用这些超短波长技术的光刻系统具有很高的分辨率，但是其系统非常复杂、昂贵而庞大，系统制作对光源(或电子束源)、材料、元件等要求极高，而且对使用者来说操作难度也非常高。因此虽然有成功的产品，但很难在市场推广应用。激光干涉光刻技术的基本原理是利用光的干涉特性，通过一定方式来控制干涉场内的光强度分布，并用感光材料记录下来，产生光刻图形。该技术的分辨率由所用激光波长和干涉角度决定，虽然也需要微缩镜头，但是与光学投影光刻所需的微缩投影镜头相比要简单且廉价。而该技术具有的另一显著优点在于曝光场的面积仅受限于系统的通光孔径，因此特别适合于较大面积光刻。干涉光刻的核心问题在于怎样将光束分开，进行图像信息调制，再进行会合，并控制会合的角度以控制干涉场内的光强分布。目前的干涉光刻技术对这一问题的解决主要采用两种方法①光栅衍射分光采用一维光栅进行分光，滤去O级光，采用正负I级光进行干涉棱镜折射分光采用多个棱镜，控制透射光和反射光，使得它们以一定角度进行会合以达到干涉。其中，光栅衍射分光方法使用的一维光栅由于光栅常数一定，为了改变干涉光的夹角，比如采用多个一维光栅置换的方法，由于必须人工替换光栅，并进行重复曝光，同时由于每次曝光只记录一个点而不是一幅图像，所以效率非常低。而棱镜折射分光方法需要采用多个光学元件，光线进行多次折射和反射，并且需要使用电子机械系统来控制这些光学兀件做定位移动来控制光束方向，因此系统较为复杂，且光学兀件移动速度不高，光能在多次折射和反射中存在较大的损耗。棱镜折射分光方法由于可以控制光路中各个元件位置来达到对干涉角度的控制，因此不需要人工替换光栅，但是由于折射方法每次记录的信息同样都是来自两个单光束形成的一个光点，每次曝光都只能记录一个点而非一幅图像，因此效率也比较低。虽然目前已有光刻系统对此进行了改进，将数字空间光调制器用于干涉光刻系统的图像信息调制，如液晶空间光调制器(LC-SLM，Liquid CrystalSpatialLight Modulator)、数字微反射镜(DMD, Digital Micro-mirror Device 等,然而仍没有一个简单而全面的方法，既能高效曝光，又能同时实现图像信息调制和衍射分光。

发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法，能基于空间光调制器同时实现干涉光场的图像信息调制和衍射分光，并达到高效光刻的目的。本发明采用如下技术方案—种基于空间光调制器的干涉光刻系统，所述系统按光束传播方向依次包括光源、扩束镜、准直透镜、空间光调制装置、傅立叶变换透镜、傅立叶变换谱面滤波挡板、成像镜、光刻胶干板，所述空间光调制装置包括空间光调制器和计算机，计算机与空间光调制器连接；所述光源发出的照射光束经过扩束镜成为发散光，发散光经过准直透镜成为平行光，平行光入射空间光调制器，空间光调制器对平行光进行图像信息调制，计算机控制空间光调制器显示图案，平行光通过空间光调制器上显示的图案进行衍射分光后成为衍射光，衍射光经过傅立叶变换透镜后在傅立叶变换透镜的后焦面上形成谱面图样，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制所需级数的衍射光通过，通过傅立叶变换谱面滤波挡板的衍射光经过成像镜干涉成像于光刻胶干板。优选地，所述图案为条纹图案，所述条纹图案包含需要进行光刻的原始图案和根据需要生成的光栅进行计算得到的条纹。优选地，通过计算机控制空间光调制器显示的条纹图案的条纹疏密以控制衍射光的衍射角度。 优选地，通过计算机控制空间光调制器显示的条纹图案的条纹方向以控制衍射光的衍射方向。优选地，所述空间光调制器为液晶空间光调制器、投射式空间光调制器、反射式空间光调制器或数字微反射镜。优选地，所述衍射光为多级衍射光，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制正I级和负I级的衍射光通过。优选地，所述系统还包括光刻胶干板移动装置，所述光刻胶干板设置于光刻胶干板移动装置上，光刻时移动所述光刻胶干板移动装置直至整个图案都被曝光；所述光源和光刻胶干板移动装置分别与所述计算机连接，计算机分别控制光源的出光和不出光以及光刻胶干板移动装置的移动。优选地，所述光源为激光器，所述照射光束为激光。
优选地，所述成像镜为微缩成像透镜、普通照相成像镜头或投影镜头。本发明还提供了一种基于空间光调制器的干涉光刻方法，所述方法包括发出照射光束；照射光束经过扩束成为发散光；发散光经过准直成为平行光；控制空间光调制器显示图案，空间光调制器对入射的平行光进行图像信息调制和 衍射分光，得到衍射光；对衍射光进行傅立叶变换和滤波，得到所需级数的衍射光；所需级数的衍射光干涉成像。本发明的有益效果在于通过计算机控制空间光调制器上显示图案，由空间光调制器同时完成图像信息调制和衍射分光的功能，且能高效光刻。


图I为本发明实施例I基于空间光调制器的干涉光刻系统结构示意图；图2为本发明实施例I基于空间光调制器的干涉光刻方法流程图；图3为本发明实施例2基于空间光调制器的干涉光刻系统结构示意图。图标说明I激光器，2扩束镜，3准直透镜，4空间光调制装置，41液晶空间光调制器， 42计算机，5傅立叶变换透镜，6傅立叶变换谱面滤波挡板，7微缩成像透镜，8全息干板，9第一平面反射镜，10第二平面反射镜，11全息干板移动装置，a计算机对液晶空间光调制器的控制线路，b计算机对激光器的控制线路， c计算机对全息干板移动装置的控制线路。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例I :本实施例提供了一种基于空间光调制器的干涉光刻系统和方法。请参阅图I所示，为本发明实施例I基于空间光调制器的干涉光刻系统结构示意图，该系统按光束传播方向依次包括光源、扩束镜2、准直透镜3、空间光调制装置4、傅立叶变换透镜5、傅立叶变换谱面滤波挡板6、成像镜、光刻胶干板，其中光刻胶干板为涂了光刻胶的玻璃干板。干涉光刻需要采用相干性较强的光源，本实施例中，为了达到较高的清晰度，光源采用激光器I，激光器I发出的照射光束为激光。空间光调制装置4包括空间光调制器和计算机42，空间光调制器可以是液晶空间光调制器、投射式空间光调制器、反射式空间光调制器或数字微反射镜，或者其他类型的空间光调制器，本实施例采用液晶空间光调制器41，计算机42与液晶空间光调制器41通过计算机对液晶空间光调制器的控制线路a连接，控制液晶空间光调制器41显示图案。光束的传播路径为激光器I发出的激光经过扩束镜2成为发散光，发散光经过准直透镜3成为平行光，平行光入射液晶空间光调制器41，液晶空间光调制器41对平行光进行图像信息调制，并通过其上显示的图案对入射光线进行衍射分光，形成衍射光。图I中，虚线框中的部分是一个傅立叶变换系统，衍射光首先经过傅立叶变换透镜5，在傅立叶变换透镜5的后焦面上形成谱面图样，该处放置傅立叶变换谱面滤波挡板6，由傅立叶变换谱面滤波挡板6控制所需级数的衍射光通过，通过傅立叶变换谱面滤波挡板6的衍射光经过成像镜干涉成像于光刻胶干板。成像镜可以采用微缩成像透镜、普通照相成像镜头或投影镜头等，采用不同的镜头会影响成像的大小和各个衍射光会聚的角度，从而影响该系统的最高分辨率，但是不影响该系统光刻功能的实现，本实施例中优选采用微缩成像透镜7作为成像镜。本实施例针对的是全息图的光刻，因此光刻胶干板为全息干板8，当然，本实施例提供的光刻系统和方法也可以用于制作微光学元件以及其他用途。
单光束进入液晶空间光调制器41后被液晶空间光调制器41上显示的图案进行多级衍射，成为多级衍射光。衍射级数与光强相关，衍射级数越高，光强越低并下降幅度很大，因此，本实施例中选择正I级和负I级的衍射光作为干涉光，使用挡板滤掉其他各级光(包括O级和其他多级衍射光)，控制正I级和负I级的衍射光通过，并控制这两束光的传播方向，使其在设定位置的某点进行干涉成像。液晶空间光调制器41上显示的图案为条纹图案，该条纹图案包含需要进行光刻的原始图案和根据需要生成的光栅进行计算得到的条纹。在实际应用中，根据需要生成的光栅结构进行计算，得到条纹，将该条纹合并于需要打印的原始图案，即可得到显示于液晶空间光调制器41上的条纹图案。进一步地，可以通过调整液晶空间光调制器41上显示条纹图案的条纹疏密来实现对衍射光的衍射角度的控制，也即对正负I级两束光的出射角度的控制，条纹越密，正负I级光衍射角越大，它们经过微缩成像透镜7后会聚到一起时的会聚角就越大，生成的光栅就越密，即光栅常数越小，而该光栅就是光刻的目的，因此可以先根据目标光栅来计算光栅常数，然后根据该光栅常数来计算需要的会聚角的大小，再根据该会聚角计算需要的衍射角的大小，最后根据该衍射角来计算需要的条纹疏密。还可以通过调整液晶空间光调制器41上显示图案的条纹方向来实现对衍射光的衍射方向的控制，也即对正负I级两束光的出射方向的控制。对液晶空间光调制器41上显示图案的上述调整可通过计算机42的控制来实现。本实施例中，通过微缩成像透镜7将各个方向的衍射光会聚到全息干板8的成像面，使光线发生干涉，并可以由会聚的角度来控制生成的干涉图样光强分布。对于最简单的微缩成像透镜7，其焦距一定，那么会聚角取决于进入该微缩成像透镜7的衍射光的距离，例如正负I级的两个衍射光在垂直系统光轴的横截面上表现为两个光点，这两个光点的距离越大，则会聚角越大，光点距离越小，会聚角越小。而这两个光点的距离又是由液晶空间光调制器41衍射产生它们时的条纹疏密决定的，条纹越稀疏，这两个光点越近，条纹越密集，这两个光点越远。如果采用复杂的可调焦、可调微缩倍率的微缩成像透镜7，则该会聚角除受上述因素影响外，同时还取决于微缩成像透镜7本身的焦距和微缩倍率。本实施例还提供了一种基于空间光调制器的干涉光刻方法，请参阅图2所示，为本发明实施例I基于空间光调制器的干涉光刻方法流程图。该方法包括下述步骤步骤SI:发出照射光束。干涉光刻需要采用相干性较强的光源，本实施例中，为了达到较高的清晰度，光源米用激光器，由激光器发出激光作为照射光束。步骤S2 :照射光束经过扩束成为发散光。光线扩束可通过扩束镜实现。步骤S3 :发散光经过准直成为平行光。光线准直可通过准直透镜实现。步骤S4 图像信息调制和衍射分光。 平行光入射液晶空间光调制器，液晶空间光调制器对平行光进行图像信息调制，并且通过其上显示的图案对入射光线进行衍射分光，形成多级衍射光。步骤S5 :对衍射光进行傅立叶变换和滤波。衍射光首先经过傅立叶变换透镜，在傅立叶变换透镜的后焦面上形成谱面图样，该处放置傅立叶变换谱面滤波挡板，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制所需级数的衍射光通过。优选采用正负I级衍射光作为干涉光。步骤S6:干涉成像。通过傅立叶变换谱面滤波挡板的正负I级衍射光经过成像镜干涉成像于光刻胶干板，实现图像曝光。综上所述，本实施例通过两束激光进行干涉，其光场强度分布条纹记录于感光材料形成光栅结构，通过对进行干涉的两束激光的夹角进行控制，就可以控制形成的光栅常数，通过对进行干涉的两束激光所携带的信息进行调制，就可以将干涉图样记录于感光材料。这样，就形成了带有图样的光栅结构，实现光刻的目的。本实施例采用液晶空间光调制器作为核心元件，由其同时完成图像信息调制和衍射分光的功能，然后使用微缩成像透镜将液晶空间光调制器上的图样衍射开的光束进行会聚，最后记录在一个图像单元上。该图像单元不再是单个光点，而是来自整个液晶空间光调制器上每一点的信息，即曝光记录在全息干板上的是一个图像单元，包含液晶空间光调制器上显示的一幅完整图像。而现有的光栅衍射分光或棱镜折射分光的光刻方法每次记录的都是单个光点。若本实施例使用的液晶空间光调制器具有的像素数为1024X768 = 786432个像素，则每曝光一次就会记录1024X768 = 786432个光点，比现有的光栅衍射分光或棱镜折射分光的光刻方法的效率大大提高，系统的简单和自动化程度也远远高于目前使用的基于光栅衍射分光或棱镜折射分光的系统。相对于现有的带有空间光调制器的光栅衍射分光或者棱镜折射分光的光刻方法，本实施例是将衍射光的生成和图像信息调制通过液晶空间光调制器同时来完成，系统结构简单，自动化程度高，易于使用，光能利用率高，成本低。而且本实施例的光学元件都是静止不动的，只需要改变空间光调制器上的图样就可以控制衍射光的角度和方向，因此具有更好的系统稳定性，工作效率也能够大大提高，具有较高的商业应用价值，且图像具有较高的分辨率。实施例2 本实施例与实施例I的区别在于当激光器的光路与扩束镜等其他光学元件不在同一方向上时，需要增加平面反射镜使光束能入射到扩束镜；本实施例还增加了光刻胶干板移动装置，以实现高分辨率的图案曝光。下面仅对本实施例与实施例I不同的部分进行描述，相同的部分则不再赘述。请参阅图3所示，为本发明实施例2基于空间光调制器的干涉光刻系统结构示意图。本实施例在实施例I的基础上增设了第一平面反射镜9、第二平面反射镜10和光刻胶干板移动装置，本实施例中，光刻胶干板为全息干板8，因此光刻胶干板移动装置为全息干板移动装置11，全息干板8设置于全息干板移动装置11上，光刻时移动全息干板移动装置11直至整个图案都被曝光。激光器I发出的光束经过第一平面反射镜9、第二平面反射镜10两次反射改变方向，然后经过扩束镜2成为发散光，再经过准直透镜3成为平行光，然后入射液晶空间光调制器41进行图像信息调制和衍射分光。经过傅立叶变换和滤波的正负I级衍射光由微缩成像镜头7成像于全息干板8上，图案被微缩为所需大小，并发生干涉，曝光后记录下光栅。 把一个空间光调制器上的图案微缩到一个很小的点，才能实现高分辨率，因此不能一次性将整个全息图全部曝光，每个图案进行一次曝光，然后移动全息干板移动装置11直到整个全息图各点都被曝光。例如，每次只进行I毫米*1毫米的一个单元格的曝光，然后依次水平移动、竖直移动全息干板移动装置11，从而带动全息干板8的移动，曝光成千上万次，直至完成整个全息图的曝光。激光器I和全息干板移动装置11分别与计算机42连接，计算机42分别控制激光器I的出光和不出光以及全息干板移动装置11的移动。其中，曝光由计算机42通过计算机对激光器的控制线路b来控制激光器I的出光和不出光来实现，移动控制由计算机42通过计算机对全息干板移动装置的控制线路c来对全息干板移动装置11的控制实现。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于空间光调制器的干涉光刻系统，其特征在于，所述系统按光束传播方向依次包括光源、扩束镜、准直透镜、空间光调制装置、傅立叶变换透镜、傅立叶变换谱面滤波挡板、成像镜、光刻胶干板，所述空间光调制装置包括空间光调制器和计算机，计算机与空间光调制器连接；所述光源发出的照射光束经过扩束镜成为发散光，发散光经过准直透镜成为平行光，平行光入射空间光调制器，空间光调制器对平行光进行图像信息调制，计算机控制空间光调制器显示图案，平行光通过空间光调制器上显示的图案进行衍射分光后成为衍射光，衍射光经过傅立叶变换透镜后在傅立叶变换透镜的后焦面上形成谱面图样，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制所需级数的衍射光通过，通过傅立叶变换谱面滤波挡板的衍射光经过成像镜干涉成像于光刻胶干板。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述图案为条纹图案，所述条纹图案包含需要进行光刻的原始图案和根据需要生成的光栅进行计算得到的条纹。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，通过计算机控制空间光调制器显示的条纹图案的条纹疏密以控制衍射光的衍射角度。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，通过计算机控制空间光调制器显示的条纹图案的条纹方向以控制衍射光的衍射方向。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述空间光调制器为液晶空间光调制器、投射式空间光调制器、反射式空间光调制器或数字微反射镜。
6.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述衍射光为多级衍射光，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制正I级和负I级的衍射光通过。
7.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光刻胶干板移动装置，所述光刻胶干板设置于光刻胶干板移动装置上，光刻时移动所述光刻胶干板移动装置直至整个图案都被曝光；所述光源和光刻胶干板移动装置分别与所述计算机连接，计算机分别控制光源的出光和不出光以及光刻胶干板移动装置的移动。
8.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述光源为激光器，所述照射光束为激光。
9.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述成像镜为微缩成像透镜、普通照相成像镜头或投影镜头。
10.一种基于空间光调制器的干涉光刻方法，其特征在于，所述方法包括发出照射光束；照射光束经过扩束成为发散光；发散光经过准直成为平行光；控制空间光调制器显示图案，空间光调制器对入射的平行光进行图像信息调制和衍射分光，得到衍射光；对衍射光进行傅立叶变换和滤波，得到所需级数的衍射光；所需级数的衍射光干涉成像。
全文摘要
本发明涉及光刻技术领域，提供了一种基于空间光调制器的干涉光刻系统，该系统中，光源发出的照射光束经过扩束镜成为发散光，发散光经过准直透镜成为平行光，平行光入射空间光调制器，空间光调制器对平行光进行图像信息调制，计算机控制空间光调制器显示图案，平行光通过空间光调制器上显示的图案进行衍射分光后成为衍射光，衍射光经过傅立叶变换透镜后在傅立叶变换透镜的后焦面上形成谱面图样，由傅立叶变换谱面滤波挡板控制所需级数的衍射光通过，通过傅立叶变换谱面滤波挡板的衍射光经过成像镜干涉成像于光刻胶干板。本发明通过计算机控制空间光调制器上显示图案，由空间光调制器同时完成图像信息调制和衍射分光的功能。
文档编号G02B27/10GK102967999SQ20121044097
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者王笑冰, 李建兵, 张海明 申请人:深圳大学反光材料厂