无掩模直写光刻系统的制作方法

本发明涉及微纳加工装置，特别是一种无掩模直写光刻系统。

技术背景

近年来随着集成电路行业的迅猛发展，智能手机、智能电视等智能设备的出现使得半导体行业出现井喷的发展态势。在过去的几十年里，光刻工艺的最小线宽以每3年30％的速率减小。半导体器件的特征尺寸已经从32nm、22nm、16nm达到现在的7nm。随着最小特征尺寸的降低，单位面积内的晶体管数量不断增加，芯片的运算速率得到不断提升，而光刻技术作为芯片制造的关键技术之一，对芯片的最小特征尺寸起着决定性作用，因此光刻工艺的发展程度制约着整个半导体行业的发展。

光刻技术作为半导体芯片制作、微纳光学加工的核心技术，是集合精密机械、现代光学、控制技术与材料设计等于一体的先进制造技术，是各学科尖端技术交叉与融合的复杂产物。激光直写技术属于一种新兴的无掩模微纳米加工技术，它有着向高速度、大幅面发展的前景，并在超大规模集成电路的制作、掩膜版与衍射光学元器件加工、微机电系统、能量转换与存储、生物芯片传感器和微光学等领域均有较为广泛的应用。因此发展激光直写技术具有重要的意义。

专利cn201035320y公开了一种微光学高速并行直写系统，其包括直写光源、空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密平台，以及内置图形生成软件的计算机。但一般来说，当工件表面起伏在10微米以上时，上述系统在实际使用时便会出现离焦现象，影响光刻的质量。专利cn101846890a公开了一种并行激光直写系统，包括直写光源、图形发生系统、光学系统、控制系统、运动系统和工件平台，其特征在于还设有聚焦伺服系统。控制系统根据传感器的信号控制调焦装置的动作，实现聚焦伺服。上述激光直写系统只能进行单光束直写，因此加工效率低，加工成本高昂。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术，提供一种无掩模直写光刻系统，该系统能够实现多光束的独立控制、并行直写和二维振镜扫描，比单点扫描系统提升了成倍的光刻效率。提升了直写光刻机的扫描速率及扫描自由度。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种无掩模直写光刻系统，其特点在于，包括直写光源、能量控制单元、激光分束控制与扫描单元、聚焦伺服单元、红光检测单元、多轴工件平台和控制单元，沿所述的直写光源的输出光的方向依次是所述的能量控制单元、激光分束控制与扫描单元、聚焦伺服单元、红光检测单元和多轴工件平台，所述的控制单元分别与所述的能量控制单元、激光分束控制与扫描单元、聚焦伺服单元、红光检测单元、多轴工件平台的控制端相连；

所述激光分束控制与扫描单元包括微透镜阵列、阵列型声光调制器、反射镜和二维mems扫描振镜，所述的微透镜阵列实现单光束到多光束的分光，每束光经过相应的声光调制器的独立调控后，再经反射镜的反射，最后聚焦到二维mems扫描振镜的反射面上，通过mems振镜的二维旋转，实现多光束的二维振镜扫描；

所述二维mems扫描振镜，外部结构包括镜面、扭转梁、镜框，所述的镜面通过扭转梁与所述的镜框相连；内部结构包括驱动器、电极、引线和支撑基板，所述的电极位于镜面和镜框背面以及支撑基板的上表面，其中镜面和镜框背部的电极的位置和个数与支撑基板表面电极的位置和个数相对应，并构成平板电容器，支撑基板的电极通过导线与其背部的驱动器相连，驱动器通过控制电极的电压来控制由镜面、支撑基板和镜框、支撑基板构成的平板电容器，从而改变光束的出射角度。

在控制单元的总体控制下，直写光源发出的光经过能量控制单元的控制、照射到激光分束控制与扫描单元上，经激光分束控制与扫描单元调控后，再经过聚焦伺服单元聚焦和红光检测单元的检测，最终将多路光束平行地聚焦在光刻胶上进行直写。

所述的直写光源是紫外光或蓝光单色光。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有的技术方案相比具有如下优势：

1、本发明通过运用激光分束控制与扫描单元，可以把现有技术方案中的单光束等间距的分成多束光束，并通过阵列型声光调制技术可实现每束光进行独立控制。与现有技术相比，该方案能够实现多光束的独立控制、并行直写和二维振镜扫描，比单点扫描系统提升了成倍的光刻效率。

2、本发明通过使用二维mems扫描振镜代替现有技术方案中的旋转扫描振镜，即可对光束进行二维扫描又可实现多路光束的并行独立扫描，因此该方案提升了直写光刻机的扫描速率及扫描自由度。

附图说明

图1是本发明无掩模直写光刻系统的组成示意图；

图2是本发明所涉及的激光分束与控制单元结构原理图；

图3是本发明所涉及的二维mems扫描振镜结构图；

图4是本发明红光检测单元结构原理图。

图5是本发明红光检测单元中离焦探测器的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明无掩模直写光刻系统的组成示意图，由图可见，本发明无掩模直写光刻系统，包括直写光源1、能量控制单元2、激光分束控制与扫描单元3、聚焦伺服单元4、红光检测单元5、多轴工件平台6和控制单元7，沿所述的直写光源1的输出光的方向依次是所述的能量控制单元2、激光分束控制与扫描单元3、聚焦伺服单元4、红光检测单元5和多轴工件平台6，所述的控制单元7分别与所述的能量控制单元2、激光分束控制与扫描单元3、聚焦伺服单元4、红光检测单元5、多轴工件平台6的控制端相连；

所述的控制单元7对所述的能量控制单元2、激光分束控制与扫描单元3、聚焦伺服单元4、红光检测单元5和多轴工件平台6实现各个单元的独立控制与联合控制。

如图1所示，在控制单元7的总体控制下直写光源1发出的光，经过能量控制单元2的控制、照射到激光分束控制与扫描单元3上，经激光分束控制与扫描单元调控后，再经过聚焦伺服单元4聚焦和红光检测单元5的检测，最终将多路光束平行地聚焦在光刻胶上进行直写。

如图2所示，所述的激光分束控制与扫描单元3包括：微透镜阵列31、阵列型声光调制器32、反射镜33和二维mems扫描振镜34。微透镜阵列31可实现单光束到多光束的分光，每束光经过相应的声光调制器32的独立调控后，再经反射镜33的反射，最后聚焦到二维mems扫描振镜34的反射面上，通过mems振镜的二维旋转，可实现多光束的二维振镜扫描。

如图3所示，所述的二维mems扫描振镜34的外观结构包括镜面341、扭转梁342、内镜框343和外镜框344，内部结构包括驱动器、电极、引线和支撑基板。所述的电极位于镜面和镜框背面以及支撑基板的上表面，所述的镜面和镜框背部的电极与支撑基板表面电极位置和个数相对应，并构成平板电容器，支撑基板的电极通过导线与其背部的驱动器相连，驱动器通过控制电极电压来控制由镜面/支撑基板和镜框/支撑基板构成的平板电容器，从而改变光束的出射角度。与现有的光学扫描方式相比，二维mems扫描镜在体积、重量、功耗以及动态响应方面的优点尤为突出，此外二维mems扫描镜还具备成本低、易于实现批量制造的优点。

如图4所示，图4是本发明红光检测单元结构原理图。所述的红光检测单元5，包括红光激光器51、起偏器52、偏振分光镜(pbs)53、1/4波片54、离焦探测器55、半透半反镜56、透镜57和ccd探测器58。由632nm红光激光器51发出的光经起偏器52穿过偏振分光镜53和1/4波片54，再经过半透半反镜56和聚焦伺服单元4，最后聚焦到多轴工件台6的工作面上，从多轴工件台6工作面上的工件表面反射的光重新进入光学系统，穿过聚焦伺服单元4后，再经过半透半反镜56，可分为透射光束和反射光束，透射光束经透镜57进入ccd探测器58，该ccd探测器58输出的ccd信号进入计算机后，可以监视直写图形表面的状况；反射光束经过1/4波片54的偏振转换和偏振分光境53的反射后进入离焦探测器55，该离焦探测器55输出的探测信号再输入所述的控制单元7以检测聚焦的程度。所述的起偏器52起偏方向和偏振分光镜53透射方向一致，与所述的1/4波片54的快轴方向夹角为45°。

如图5所示，所述的离焦探测器55包括透镜a、柱面镜b和四象限探测器c，反射光在透过透镜a后光斑会变小，由于柱面镜b具有单向聚焦特性，当样品处于透镜a的近焦、准焦和远焦时，在接收面上会有x轴向的椭圆光斑长短轴的变化，而光斑大小的变化也会导致y轴方向的椭圆光斑长短轴的变化。x、y两个方向的椭圆光斑长短轴的变化组合，会导致如图5中的椭圆光斑的长短轴的变化。利用四象限探测器获取光斑的线性变化区域，再利用pid算法实现对红光焦点的实时检测。

所述的直写光源1是紫外光或蓝光单色光，所述的检测光源51采用对光刻胶材料不感光的光源如658nm红光激光器。所述的直写光源1优选波长为351nm或405nm，所述的检测光源51波长为632nm或658nm。

实验表明，本发明能够实现多光束的独立控制、并行直写和二维振镜扫描，比单点扫描系统提升了成倍的光刻效率。提升了直写光刻机的扫描速率及扫描自由度。