一种数字光纤合束器及利用光纤合束获取动态掩膜的方法与流程

本发明涉及无掩膜光刻技术领域，特别是涉及一种数字光纤合束器及利用光纤合束获取图像的方法。

背景技术：

随着光学技术的发展，光刻技术也得到了快速的发展，光刻图案特征尺寸逐渐变小，且光刻图形结构愈趋复杂及多样化。传统的掩模光刻技术出现了制作困难和费用攀升的问题。

为了降低掩模制作的成本，无掩模光刻技术诞生，例如离子/电子束直写技术，激光直写技术，但是现有的无掩膜光刻设备价格昂贵，且光刻速度较慢。

数字光刻系统作为一种无掩膜光刻设备，动态掩模的核心部件为数字微反射镜，数字微反射镜为一种纯数字化空间光调制器，可实现实时、高效率和低成本的图形转移，从而实现了快速、批量化、低成本光刻。数字光刻系统在保证高端电子产品质量的前提下，尽管降低了成本，但是由于数字微反射镜由多块微镜集成，微镜间不可避免的具有缝隙，导致入射光会产生衍射现象，而反射成像会损耗一部分光能，且微镜的制作工艺极其复杂，对设备的要求极为苛刻。

可见，如何在确保无掩膜光刻设备的光刻精度的基础上，简化无掩膜光刻设备的制作工艺，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种数字光纤合束器及利用光纤合束获取动态掩膜的方法，应用于无掩膜光刻设备，有利于提高无掩膜光刻设备的分辨精度，简化了无掩膜光刻设备的制作工艺。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种数字光纤合束器，包括：

光纤合束模块、光通断模块以及封装及保护模块；

其中，所述光纤合束模块包括位于数字光纤合束器两端对称分布的、结构相同的第一光纤合束和第二光纤合束，光纤合束为多束直径为微米级别的外包光纤按照预设的排列方式组合而成；

所述光通断模块包括多个阵列分布的连接小室及位于每个连接小室狭缝内的像元开关，连接小室的数量为外包光纤总数的一半，每个连接小室用于容纳所述第一光纤合束的第一外包光纤内端和与所述第一外包光纤相应的所述第二光纤合束的第二外包光纤内端，且所述第一外包光纤内端端面与所述第二外包光纤内端端面间形成狭缝；通过控制像元开关的遮光散光板，以实现控制光源出射的光束经过所述第一光纤合束是否传输至所述第二光纤合束；所述遮光散光板的中心轴与外包光纤中心轴一致；

所述封装及保护模块包括封装单元和保护单元，所述封装单元封装连接所述像元开关，所述保护单元用于对所述光纤合束模块和所述光通断模块进行保护。

可选的，所述光纤合束为多束直径为微米级别的外包光纤按照正六角形排列组成而成。

可选的，所述外包光纤为由二氧化硅圆柱形纤芯，及折射率低于纤芯的玻璃外包层构成。

可选的，所述外包光纤的直径为10微米。

可选的，所述连接小室还包括吸光层，所述吸光层为涂覆在所述连接小室内部的吸光材料。

可选的，所述像元开关包括遮光散光板、扭转轴、微金属板、轭板、寻址电极、寻址板、偏转复位总线；

其中，所述轭板的中部连接所述遮光散光板，两端分别连接一个微金属板；所述扭转轴分别与所述轭板和所述偏转复位总线相连；所述寻址电极与所述寻址板相连；所述寻址电极和所述微金属板由于静电作用吸引带动所述轭板在所述扭转轴的枢纽上旋转，以使所述遮光散光板转动。

可选的，所述封装及保护模块包括第一粘结层、套管层、封装层及保护层；

其中，所述第一粘结层为胶合粘结在所述第一光纤合束外端和所述第二光纤合束外端的环氧树脂层；所述套管层为包裹在所述第一光纤合束和所述第二光纤合束的塑料套管层；所述封装层为陶瓷针栅阵列封装层；所述保护层为与所述数字光纤合束器相匹配的外壳。

可选的，所述封装层位于所述数字光纤合束器的底部。

可选的，所述第一光纤合束外端的横截面形状为正方形、圆形或正多边形。

本发明实施例另一方面还提供了一种利用光纤合束获取动态掩膜的方法，包括：

当检测到光源出射的目标光束入射至数字光纤合束器的第一光纤合束端面时，将所述目标光束对应的源图像数字化为预设位数的灰度图像；

按照所述源图像转换的二进制信号控制像元开关的遮光散光板的旋转，以使所述目标光束在所述像元开关处于开启状态时，经过所述第一光纤合束传输至第二光纤合束，并在接收器件上形成所述源图像；在所述像元开关处于关闭状态，将经过所述第一光纤合束的目标光束反射至连接小室内；

其中，第一光纤合束和第二光纤合束结构相同，且对称分布在数字光纤合束器的两端；光纤合束为多束直径为微米级别的外包光纤按照预设的排列方式组合而成。

本发明实施例提供了一种数字光纤合束器，包括光纤合束模块、光通断模块和封装及保护模块；光纤合束模块包括位于数字光纤合束器两端对称分布的、结构相同的第一光纤合束和第二光纤合束，光纤合束为多束外包光纤按照预设的排列方式组合而成；光通断模块包括多个阵列分布的连接小室及位于每个连接小室狭缝内的像元开关，连接小室的数量为外包光纤总数的一半，每个连接小室用于容纳第一光纤合束的第一外包光纤内端和与第一外包光纤相应的第二光纤合束的第二外包光纤内端，且第一外包光纤内端端面与第二外包光纤内端端面间形成狭缝；像元开关通过控制遮光散光板，以实现控制光源出射的光束经过第一光纤合束是否传输至第二光纤合束；遮光散光板的中心轴与外包光纤中心轴一致；封装及保护模块包括封装单元和保护单元，封装单元封装连接像元开关，保护单元用于对光纤合束模块和光通断模块进行保护。

本申请技术方案提供的数字光纤合束器，应用于无掩膜光刻系统，利用微米级别的光纤排布成光纤合束，每根外包光纤可作为一个像元，光束从一端进入第一光纤合束后，像元开关阵列控制光束通过或者不通过第二光纤合束，从而实时显示图像，实现了无掩膜光刻。由于呈现图像的外包光纤为微米级别，从而极大的提高了图像的分辨率和图像质量，像元开关只有通断两个状态，响应速度快，在光刻系统中使用数字光纤合束器件，取代现有的数字微反射镜，不仅能够省去掩膜板，降低成本，而且极大降低获得动态掩膜图案的器件的工艺复杂度。

此外，本发明实施例还针对数字光纤合束器应用在无掩膜光刻设备中，提供了相应的使用方法，进一步使得所述数字光纤合束器更具有实用性，所述方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的数字光纤合束器在一种具体实施方式的结构框图；

图2为本发明实施例提供的数字光纤合束器的一种光纤合束横截面的示意图；

图3为本发明实施例提供的像元开关在一种具体实施方式的结构图；

图4为本发明实施例提供的数字光纤合束器的封装层的一种具体实施方式的结构图；

图5为本发明实施例提供的数字光纤合束器另一种具体实施方式的结构图；

图6为本发明实施例提供的一个示例性应用场景的系统结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种利用光纤合束获取动态掩膜的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种具体实施方式下数字光纤合束器的结构框图。

数字光纤合束器可包括光纤合束模块1、光通断模块2和封装及保护模块3。

光纤合束模块1包括位于数字光纤合束器两端对称分布的、结构相同的第一光纤合束11和第二光纤合束12，光纤合束为多束直径为微米级别的外包光纤按照预设的排列方式组合而成。

外包光纤为全反射型光纤，直径可为微米级别，在一种优选的实施方式中，外包光纤的直径为10微米。

单质光纤是均匀介质构成的圆柱形细丝，虽然是全反射型光纤，但是表面极小的缺陷、尘埃和污物都能使光发生散射而射出光纤，为了克服以上缺点，可在光纤外表面包上一层折射率比纤芯低的玻璃。

第一光纤合束11和第二光纤合束12均为多束直径为微米级别的外包光纤按照预设的排列方式组合而成，每根外包光纤严格按照矩阵行列数一一对应排布。在一种具体的实施方式中，外包光纤可按照正六角形排列组合而成光纤合束，即第一光纤合束11为多束直径为微米级别的外包光纤按照正六角形排列组成而成，第二光纤合束12为多束直径为微米级别的外包光纤按照正六角形排列组成而成。经过计算证实，正六角形排布的光纤合束，填充系数可达到百分之九十以上，由于外包光纤是圆柱形的，做成合束中间会有空隙，正六角填充系数较大。当然，外包光纤也可按照其他排列方式排列，本申请对此不做任何限定。

构成光纤合束的外包光纤的根数可以为任意根数，具体的可根据用户需求或实际情况进行确定，本申请对此不做任何限定。

光纤合束的端部的横截面可为正方形、圆形或正多边形形状，当然，还可为其他任何形状，本申请对此不做任何限定。也就是说，第一光纤合束11外端的横截面形状可为正方形、圆形或正多边形等形状；第二光纤合束12外端的横截面形状与第一光纤合束11外端的横截面形状相同。例如，图2所示的光纤合束的端面为正方形。

光通断模块2包括多个阵列分布的连接小室22及位于每个连接小室狭缝内的像元开关23，连接小室22的数量为外包光纤总数的一半，每个连接小室22用于容纳第一光纤合束11的第一外包光纤内端和与第一外包光纤相应的第二光纤合束12的第二外包光纤内端，且第一外包光纤11内端端面与第二外包光纤12内端端面间形成狭缝；通过控制像元开关23的遮光散光板231，以实现控制光源出射的光束经过第一光纤合束是否传输至第二光纤合束；遮光散光板231的中心轴与外包光纤中心轴一致。

连接小室22呈阵列分布，与外包光钎的排列方式相对应，构成光纤合束的每根外包光纤的内端插入连接小室内，且留有夹缝。也就是说，第一光纤合束11的第一外包光纤111的内端插入第一连接小室221的一侧，由于第一光纤合束11和第二光纤合束12为对称分布，故构成第一光纤合束11的各根外包光纤与第二光纤合束12的各根外包光纤一一对应，相对应的两根外包光纤各插入同一个连接小室的一侧，即第一光纤合束11的第一外包光纤相对应的第二光纤合束12的一根外包光纤(第二外包光纤)插入第一连接小室的另一侧，且第一外包光纤的内端面与第二外包光纤的内端面间有狭缝，狭缝的尺寸不小于容纳相对应的像元开关23的尺寸。

连接小室的数量为外包光纤总数的一半，也就是构成第一光纤合束11的外包光纤的根数总量，或者是构成第二光纤合束12的外包光纤的根数总量。每个连接小室22的狭缝内设置一个像元开关23，像元开关23的数量与连接小室22的数量相同。

像元开关23中的遮光散光板231的作用是控制通过一侧光纤的光通过或不通过另一侧光纤，当控制不允许通过另一侧光纤时，就要将光反射，但不是原路返回，而是有角度的反射到连接小室中，吸收光的目的是和反射光的做法一样，使其完全不能通过另一侧的光纤。为了保证完全不能通过另一侧的光纤，可在连接小室22内部设置吸光层，吸光层可为涂覆在连接小室2内部的吸光材料，当然，也可在连接小室内设置吸光片或其他吸光装置，这均不影响本申请的实现。

由于光纤合束器采用直接入射的方式控制光束，不存在狭缝衍射，有利于提高光刻图像的质量。

在一种具体实施方式下，请参阅图3，像元开关23可包括遮光散光板231、扭转轴232、两个微金属板233、轭板234、寻址电极235、寻址板236、偏转复位总线237。轭板234的中部连接遮光散光板231，两端分别连接一个微金属板233；扭转轴232分别与轭板234和偏转复位总线237相连；寻址电极235与寻址板236相连；寻址电极235和微金属板233由于静电作用吸引带动轭板234在扭转轴232的枢纽上旋转，以使遮光散光板231转动。

具体的，轭板234正中心连接遮光散光板231，左右两端连接两个微金属板233，扭转轴232与轭板234相连，下层与偏转复位总线237相连。在静电作用下，微金属板233带动轭板234在扭转轴232的枢纽上旋转，从而使遮光散光板231产生10°偏角，光从第一光纤合束直线传播到第二光纤合束。微金属板233、轭板234、偏转复位总线237相连通并处于同一电位，寻址电极235与寻址板236相连。扭转轴232、轭板234和寻址电极235处于下层，寻址板236与偏转复位总线237处于上层，微金属板233与轭板234有间距，其间距等于上层和下层的距离。

封装及保护模块3包括封装单元和保护单元，封装单元封装连接像元开关，保护单元用于对光纤合束模块和光通断模块进行保护。

具体的，请参阅图4，封装及保护模块3可包括第一粘结层31、套管层32、封装层33及保护层34。

其中，第一粘结层31为胶合粘结在第一光纤合束11外端和第二光纤合束12外端的环氧树脂层，第一光纤合束11外端和第二光纤12外端用环氧树脂胶合粘接，并将端面磨平和抛光；套管层32为包裹在第一光纤合束11和第二光纤合束12的塑料套管层；封装层33为陶瓷针栅阵列封装(cpga)层，它连接各像元开光23，与控制电路板相连；保护层为密封数字光纤合束器相匹配的外壳。

在一种具体的实施方案中，封装层33可设置在整个数字光纤合束器的底部，如图5所示，由于数字光纤器为一光电器件，需要设置在电路板上，封装层33用于安插和连接电路板的，设置在整个器件底部，以便与控制电路板相连。

本申请技术方案提供的数字光纤合束器，应用于无掩膜光刻系统，利用微米级别的光纤排布成光纤合束，每根外包光纤可作为一个像元，光束从一端进入第一光纤合束后，像元开关阵列控制光束通过或者不通过第二光纤合束，从而实时显示图像，实现了无掩膜光刻。由于呈现图像的外包光纤为微米级别，从而极大的提高了图像的分辨率和图像质量，像元开关只有通断两个状态，响应速度快，在光刻系统中使用数字光纤合束器件，取代现有的数字微反射镜，不仅能够省去掩膜板，降低成本，而且极大降低获得动态掩膜图案的器件的工艺复杂度。

为了更好的理解本申请技术方案的思想与原理，以下以具体的一种应用场景进行对本发明实施例所提供的技术方案进行阐述，请参阅图6，图6为该一种示意性例子的数字光纤合束器的结构图。

由图6可知，一种用于实现无掩膜光刻的数字光纤合束器，可包括多根外包光纤61、由外包光纤构成的光纤合束62、像元开关63、连接小室64、塑料套管65、环氧树脂层66、cpga封装67、外壳68，其中像元开关63可由遮光散光板631、扭转轴632、微金属板633、轭板634、寻址电极635、寻址板636、偏转复位总线637组成。

外包光纤61为全反射型光纤，外包光纤61纤芯为均匀透明的二氧化硅构成的圆柱形纤芯，外面包裹一层折射率比纤芯低的玻璃，整体厚度约为10μm。光纤合束62由外包光纤61按照正六角形排列且左右对称分布组成，即包括位于两侧的两个部分，第一光纤合束和第二光纤合束，其中每根外包光纤61严格按照矩阵行列数一一对应排布。光纤合束62内端插入连接小室64中，每根光纤之间留有狭缝，连接小室64的内壁可涂覆吸光材料，用于吸收反射光。像元开关63位于连接小室64中，像元开光63的遮光散光板631位于光纤狭缝之中，环氧树脂6胶合粘结在光纤合束62外侧两端，两端可磨平和抛光，以增加光的透过率，塑料套管65包裹在光纤合束62上，能使传输的光线具有柔韧性。cpga封装67连接像元开关63，该封装可用高速大规模的逻辑电路，其管脚与外部控制电路板相连。数字光纤合束器由外壳68密封，呈左右对称形状。

本申请提供的数字光纤合束器，结构简单，能够获得实时图像且可用于实现无掩膜光刻的纯数字化空间光调制器件。在对光调制时，能够使光以直线入射形式通过或不通过器件而获得实时图像，而非以反射、折射等其他方式对光进行开关调制，响应速度快，不仅能够省去掩膜板，提高图像的分辨率和图像质量，而且可以降低该类器件的工艺复杂度。

本发明实施例还针对数字光纤合束器应用在无掩膜光刻设备中，提供了相应的使用方法，请参阅图7，图7为本发明实施例提供的一种利用光纤合束获取动态掩膜的方法的流程示意图，该方法具体可包括：

s701：当检测到光源出射的目标光束入射至数字光纤合束器的第一光纤合束端面时，将目标光束对应的源图像数字化为预设位数的灰度图像。

s702：按照源图像转换的二进制信号控制像元开关的遮光散光板的旋转，以使目标光束在像元开关处于开启状态时，经过第一光纤合束传输至第二光纤合束，并在接收器件上形成源图像；在像元开关处于关闭状态，将经过第一光纤合束的目标光束反射至连接小室内。

其中，第一光纤合束和第二光纤合束结构相同，且对称分布在数字光纤合束器的两端；光纤合束为多束直径为微米级别的外包光纤按照预设的排列方式组合而成。

在将数字光纤合束器安装在光路中，即在整个无掩膜光刻系统中，在进行光刻时，采用的光源为激光光源，匀束后的激光打入数字光纤合束器左端面，同时将源图像数字化为8到10位的灰度图像；激光由左侧的光纤合束传至像元开关，二进制图像信号输入像元开关，静电激活寻址电极、微金属板和轭板使扭转轴扭转；像元开关处于开启状态时，激光光通过，传至另一侧光纤合束；像元开关处于关闭状态时，遮光散光板将光反射至连接小室内壁，被吸光材料吸收。通过状态的光传至右侧的光纤合束，在接收器件上能形成源图像。

在一种具体的实施方式中，还可将图像信号写入内存。

在静电由寻址板加载至寻址电极上；偏转复位总线加载的电压传至轭板和微金属板；静电作用将寻址电极和微金属板吸引，轭板偏转，带动遮光散光板转动，产生开启状态，或者关闭状态；遮光散光板偏转至具有同样电压的轭板的着陆点和寻址板接触为止，倾斜角度可为10°，并以急电方式锁定。

在进行光刻时，将所需要光刻的图形转换为位信号，在该数字光纤合束器的控制下，光刻的投影系统可在光刻基板上形成所需图案，由于该过程具有实时性，从而不需要更换光刻掩膜板，提高了光刻效率，也降低了光刻制作掩膜板的成本。

需要说明的是，上述方法的执行主语为控制器，控制器控制像元开关来实现通过控制像元开关的遮光散光板，以实现控制光源出射的光束经过第一光纤合束是否传输至第二光纤合束

数字光纤合束器是由微米级光纤束组成，材料成本低，工艺简单，可以在毫米级规模内集成上百万束光纤，极大增强图形分辨率，所运用的像元开关，其偏转速率可达到每秒上千次，图像刷新的帧率极快，因而该数字光纤合束器不仅可以运用在光纤领域，还可运用在投影等领域。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种数字光纤合束器及利用光纤合束获取动态掩膜的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。