一种用于DMD光刻成像系统的自由曲面透镜及其设计方法与流程

本发明属于光学技术领域，特别是涉及到应用在基于数字微镜阵列的光刻系统中的解决dmd无掩模扫描光刻图案边缘存在锯齿这一问题的具有特殊畸变的自由曲面透镜。

背景技术：

微光电器件的迅速发展使基于dmd的无掩模扫描光刻技术受到了人们的广泛关注。其光刻过程是利用计算机优化产生一系列“虚拟”的数字图形，并控制投影曝光设备把图形一幅幅地投影到基片上。在光刻过程中，其它方向由于没有扫描方向的曝光能量叠加，刻线边缘存在锯齿问题，不光滑，这极大地降低了dmd扫描光刻图案的质量。

目前，缩小dmd扫描光刻图案边缘锯齿的方法主要有三种：

(1)灰度刻写技术，通过脉冲宽度的调节控制单微镜的翻转时间，形成不同的灰度等级图案，达到缩小光刻图案边缘锯齿的目的。但是，刻写复杂图案时，由于需要处理与传输复杂的数据，其刻写效率受到了限制。(2)提高成像透镜的缩小倍率，这在一定程度上提高了光刻图案的质量，但是随着成像透镜缩小倍率的增大，系统对焦难度加大，同时单次扫描刻写面积急剧减小，光刻效率降低。(3)倾斜光刻平台或dmd，使单像素的曝光能量在扫描方向外叠加。但是存在倾斜角度难以精确控制，系统的装调难度增加等问题。

为此，如何在不改变光刻效率和增加系统装调难度的前提下，提高光刻图案质量，是亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜及其设计方法，可以缩小dmd扫描光刻图案边缘锯齿，以获得最佳的光刻图形质量。

一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜，其特征是：dmd单微镜与自由曲面透镜的距离为1mm，自由曲面透镜的材料为硅晶体，外轮廓尺寸为12mm×21mm，厚度为1mm，前表面面型为平面，后表面面型为自由曲面，最大畸变量为10.63μm。

一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜的设计方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、计算能够平滑光刻图案边缘的dmd单微镜的线性错位

设定y方向为光刻扫描方向，j、i分别为dmd单微镜所在行和列，dmd单微镜的数量为i×j，l为dmd单微镜的边长，s为投影透镜的放大倍率，θ为偏转角度，获得垂直于扫描方向上dmd单微镜的线性错位量为δxj，δxj＝s×l×(j-1)×tanθ；

步骤二、设计具有特殊畸变特性的自由曲面透镜

由上至下按照光线路径偏转角度为θ依次设置dmd单微镜、自由曲面透镜、投影成像透镜以及光刻基板，建立直角坐标系，获取入射光线单位方向矢量参数，matlab软件中采用马夸尔特算法进行多项式拟合后，获得自由曲面透镜的矢高z的最大值小于0.8236mm；

步骤三、投影成像系统的建模

将自由曲面透镜面型导入光学软件zemax中，获得该自由曲面透镜模型。

所述步骤一中偏转角度为θ的光刻图案曝光总能量en的表达式为：

式中，pi,j为单微镜中心光功率，t为时间积分变量，n为光刻图案像素的数目，m为扫描方向上单微镜的数目。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜及其设计方法，可以缩小dmd扫描光刻图案边缘锯齿，以获得最佳的光刻图形质量。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明dmd单微镜正常和线性错位排布示意图。

图2为本发明dmd单微镜线性错位δx101不同时，单像素和刻线的曝光效果图；

图3为本发明自由曲面透镜在dmd投影成像系统的工作原理图。

图4为本发明自由曲面透镜面型图。

图5为本发明自由曲面透镜模型图。

图6为本发明实施例效果图。

图中1-dmd单微镜、2-自由曲面透镜、3-投影成像透镜、4-光刻基板。

具体实施方式

一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜，其特征是：dmd单微镜与自由曲面透镜的距离为1mm，自由曲面透镜的材料为硅晶体，外轮廓尺寸为12mm×21mm，厚度为1mm，前表面面型为平面，后表面面型为自由曲面，最大畸变量为10.63μm。

一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜的设计方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、能够平滑光刻图案边缘的dmd单微镜线性错位的计算

针对光刻图案边缘在扫描方向外存在锯齿的问题，提出如图1所示的单微镜线性错位形式。若设定y方向为光刻扫描方向(以下扫描方向均为此方向)，j、i分别为单微镜所在的行和列，dmd的单微镜数目为i×j，l为单微镜的边长，投影透镜的放大倍率为s，在垂直于扫描方向上dmd单微镜的线性错位量为δxj，偏转角度为θ，则δxj的表达式如(1)所示：

δxj＝s×l×(j-1)×tanθ……(1)

光刻图案曝光总能量en的表达式为：

式中pi,j为单微镜中心光功率，t为时间积分变量，n为光刻图案像素的数目，m为扫描方向上单微镜的数目。当光刻胶的曝光阈值为e0，扫描方向上单微镜的数目为101个，en≥101e0时，单像素和刻线的曝光效果如图2所示，由左到右δx101依次为0、0.5l和l。刻线的锯齿值如下表1所示。

表1刻线锯齿的值

从表1可见，当δx101取l(0.9en)时，以微镜的中心点连线为准取刻线线长与线宽的值，横线边缘锯齿由0.14个像素缩小至0个像素，斜线边缘锯齿由0.338个像素缩小至0.115个像素。斜线的宽度增加较大但不影响图形形状，这里以横线与竖线的线宽、线长变化为准，横线线长与线宽的改变量分别0.04和0.126个像素，竖线线长与线宽的改变量分别为-0.063和0.046个像素。图2和表1都说明了通过单微镜线性错位的方式，能够平滑光刻图案边缘。

步骤二、具有特殊畸变特性的自由曲面透镜的设计

将激光光源设为405nm，dmd(1080×1920)的像素边长为10.68μm，整体尺寸为11.664mm×20.732mm，投影成像透镜的放大倍率为1，可得具有特殊畸变的自由曲面透镜的参数，如表2所示。

表2自由曲面透镜参数

自由曲面透镜的工作原理如图3所示，由上到下依次为dmd单微镜1、自由曲面透镜2、投影成像透镜3和光刻基板4。其中z为光轴方向，角θ为安装该自由曲面透镜后光线路径与安装前每一个微镜成像后中心连线所成偏转角度。入射光线i与光轴z平行,自由曲面光学元件c使dmd微镜阵列表面a形成微镜阵列线性错位后的虚物b，虚物b到dmd的距离d由公式下式给出

d＝(ni-1)×h……(3)

ni和h分别为自由曲面光学元件的折射率和厚度。

虚物b经投影成像系统最终成像在光刻基板上，由于自由曲面透镜的作用，才导致dmd微镜阵列成像后发生了线性错位，如图中基板上的斜线相对于水平线发生错位，夹角为θ。

经过直角坐标系的建立、入射光线单位方向矢量等参数的获取，依据单微镜的线性错位分析和空间光学snell定律以及多元微分数学知识等，可得自由曲面透镜面型的初始数据，在matlab软件中采用马夸尔特算法(levenberg-marquardt)进行多项式拟合后，可得自由曲面透镜的面型如图4所示，透镜矢高z的最大值接近0.8236mm。

步骤三、投影成像系统的建模

将自由曲面透镜面型导入光学软件zemax中，获得该透镜模型，如图5所示。以dmd芯片尺寸的长边作为物面高度，短边作为物面宽度，利用放大倍率为1的理想成像透镜组形成无象差双远心光学系统，在像面上进行1：1的成像。

本发明设计的一种用于dmd光刻成像系统的自由曲面透镜模拟仿真对刻线边缘的平滑结果如图6所示，

取曝光总能量为i，单微镜的边长为l，扫描方向上单微镜的数目为101个，投影成像透镜的放大倍率为1，以光刻图案“树”为例，模拟仿真安装自由曲面透镜前后“树”的曝光效果，图6为安装自由曲面透镜前后“树”的边缘图。