光学直写成像装置的制作方法

1.本发明涉及成像设备技术领域，尤其是涉及一种光学直写成像装置。


背景技术：

2.在光学直写光刻技术中，解析度受限于光的衍射极限，一般只能做到光波长的一半。其中，在共聚焦显微镜技术中已经应用了一种超衍射极限的技术，如图1所示，超衍射极限技术是采用双光束以对目标图像进行直写光刻，双光束包括一束抑制光束和一束激发光束，抑制光束聚焦成环形，激发光束聚焦在抑制光束的环形中央并形成聚焦光斑，由于环形抑制光束可以提高感光材料对激发光的光化反应的阈值，并且基板表面的光敏材料仅与激发光束产生光敏反应，因此只有在环形抑制光束中央的感光材料才能被激发光束光化，并且可采用如图2所示的一种光学直写成像装置100’实现激光直写，光源k发出的双光束射入光空间调制器件q进行调制，并将调制后的光线通过分光元件7’和成像系统6’投射至位于曝光台8’上的涂有光敏材料的基板表面,从而可以使光敏材料的感光解析度远小于衍射极限的限制。现有的光学直写曝光系统的解析度和系统的数值孔径有关，其中数值孔径越大，解析度越高，但镜头曝光的面积越小。其中，在一些方案中提出了使用微透镜阵列器件进行二次成像的技术，例如可结合图3描述该技术手段，光源k发出的光线经一个准直透镜a照射到反射镜m上，反射镜m将光线反射后投射至光空间调制器件q如dmd器件中，光空间调制器件q对光线进行调制后，还将调制后的光线经准直透镜b和准直透镜c投射至微透镜阵列模组n，微透镜阵列模组n对光线进行处理，处理后的光线经过准直透镜d和准直透镜e最后投射至曝光面衬底p上，从而实现将目标图像能够直写入涂有光敏材料的基板表面上。使用微透镜阵列器件进行二次成像时，能够保持较大的镜头曝光面积，同时保证系统具有较大的数值孔径，解析度较高。
3.在相关技术中，采用使用微透镜阵列器件进行二次成像的方案时，解析度依然受衍射极限所限制，不能达到超衍射极限的解析能力。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种光学直写成像装置，能够使直写光束被限制在比衍射极限更小的区域里曝光，并保证光学直写成像装置具有较高的解析度。
5.为了达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的光学直写成像装置，包括：第一数字光空间调制器件和第二数字光空间调制器件；第一光源，所述第一光源用于发出具有第一波长的直写光束，所述直写光束投射至所述第一数字光空间调制器件，其中，所述直写光束与基板表面上的光敏材料可产生光敏反应；第二光源，所述第二光源用于发出具有第二波长的抑制光束，所述抑制光束投射至所述第二数字光空间调制器件，其中，所述抑制光束与所述基板表面的光敏材料不产生光敏反应，用于抑制所述直写光束与所述光敏材料光敏反应的作用，所述第二波长不等于所述第一波长；控制模块，所述控制模块与所述第一数
字光空间调制器件和所述第二数字光空间调制器件连接，用于根据目标图像信息控制所述第一数字光空间调制器件动作，以使所述第一数字光空间调制器件对投射的所述直写光束进行调制并射出携带所述目标图像信息的光线，以及，根据抑制图像信息控制所述第二数字光空间调制器件动作，以使所述第二数字光空间调制器件对投射的所述抑制光束进行调制并射出携带所述抑制图像信息的光线；成像系统，所述成像系统用于将携带所述目标图像信息的光线和携带所述抑制图像信息的光线叠加并投射至所述涂有光面材料的基板表面，以在所述涂有光面材料的基板表面形成叠加图像，所述叠加图像包括目标图像，所述抑制图像为所述目标图像的轮廓图像。
6.根据本发明实施例提出的光学直写成像装置，通过采用第一数字光空间调制器件和第二数字光空间调制器件，增加抑制光束对直写光束进行抑制，使得直写光束被限制在更小的范围内，并且在基板表面上的光敏材料上投影出以抑制图像为轮廓的目标图像，保证直写光束投影形成的目标图像不被衍射极限所限制，从而可以形成比衍射极限更小的图形线条特征，能够提高光敏材料对直写光束的光化反应阈值，进而保证光学直写成像装置具有较高的解析度。
7.在本发明的一些实施例中，所述第一数字光空间调制器件与所述第二数字光空间调制器件呈垂直方向设置。
8.在本发明的一些实施例中，光学直写成像装置还包括：分光元件，所述分光元件设置在所述第一数字光空间调制器件和所述第二数字光空间调制器件的出射光光路上，用于透过携带所述目标图像信息的光线以及反射携带所述抑制图像信息的光线。
9.在本发明的一些实施例中，所述分光元件与所述第一数字光空间调制器件的出射光路呈第一角度以及与所述第二数字光空间调制器件的出射光光路呈第二角度，所述第一角度和所述第二角度的和为90
°
。
10.在本发明的一些实施例中，所述第一波长小于所述第二波长。
11.在本发明的一些实施例中，所述第一波长的直写光束包括紫外光线。
12.在本发明的一些实施例中，所述第二波长的抑制光束包括红波光线或红外波光线。
13.在本发明的一些实施例中，所述光学直写成像装置还包括曝光台，所述曝光台用于放置所述涂有光敏材料的基板。
14.在本发明的一些实施例中，所述第一光源包括多个具有不同第一波长的第一子光源，根据基板表面光敏材料对光的光敏波段控制所述第一光源中对应波长的第一子光源启动。
15.在本发明的一些实施例中，所述第二光源包括多个具有不同第二波长的第二子光源，根据基板表面光敏材料对光的光敏波段控制所述第二光源中波长不属于所述光敏波段的第二子光源启动。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
18.图1是相关技术中的一种双光束的示意图；
19.图2是相关技术中的一种光学直写成像装置的示意图；
20.图3是相关技术中的一种使用微透镜阵列器件进行二次成像的示意图；
21.图4是根据本发明一个实施例的光学直写成像装置的示意图；
22.图5是根据本发明一个实施例的一种目标图像的示意图；
23.图6是根据本发明一个实施例的一种轮廓图像的示意图；
24.图7是根据本发明一个实施例的一种目标图像和轮廓图像组合的示意图；
25.图8中的(1)是根据本发明一个实施例的直写光束的曝光线宽的示意图；
26.图8中的(2)是根据本发明一个实施例的增加抑制光束后的直写光束的曝光线宽的示意图；
27.图9是根据本发明另一个实施例的一种目标图像和轮廓图像组合的示意图；
28.图10是根据本发明另一个实施例的光学直写成像装置的示意图。
29.附图标记：
30.在现有技术中：
31.光学直写成像装置100’；
32.光源k、光空间调制器件q、成像系统6’、分光元件7’、曝光台8’；
33.准直透镜a、准直透镜b、准直透镜c、准直透镜d、准直透镜e、微透镜反射镜m、阵列模组n、曝光面衬底p；
34.在本发明的实施例中：
35.光学直写成像装置100；
36.第一数字光空间调制器件1、第二数字光空间调制器件2、第一光源3、第二光源4、控制模块5、成像系统6、分光元件7、曝光台8、图像采集模块9。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
38.下面参考图4-图10描述根据本发明实施例的光学直写成像装置100。
39.在本发明的一些实施例中，如图4所示，为根据本发明一个实施例的光学直写成像装置的示意图，其中，光学直写成像装置100包括第一数字光空间调制器件1、第二数字光空间调制器件2、第一光源3、第二光源4、控制模块5和成像系统6。
40.在一些实施例中，第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2可采用dmd(digital micromirror device，数字微镜器件)器件或lcos(liquid crystal on silicon，液晶硅面)或其他适用的数字光空间调制器，其中，dmd器件是由多个小型铝制反射镜面构成的，镜面的多少由显示分辨率决定,一个小镜面对应一个像素，dmd器件的反射率高，对比度大。
41.第一光源3用于发出具有第一波长的直写光束，直写光束投射至第一数字光空间调制器件1，其中，直写光束与基板表面上的光敏材料可产生光敏反应，即携带目标图像信息的直写光束投射到涂有光敏材料的基板表面上，在基板上可以形成目标图像。
42.其中，在实施例中，第一波长的直写光束可以包括紫外光线。紫外光线波长较短，在光学直写应用中，直写光束采用紫外光线便于在基板表面上的光敏材料上直写更小线宽的图像。
43.第二光源4用于发出具有第二波长的抑制光束，抑制光束投射至第二数字光空间调制器件2，其中，抑制光束与基板表面的光敏材料不产生光敏反应，只起到抑制直写光束与光敏材料光敏反应的作用，第二波长不等于第一波长。在一些实施例中，第二波长的抑制光束可以包括红波光线或红外波光线。红波光线或红外波光线的波长较长，并且与紫外光线的波长差别较大，即第一波长小于第二波长。在光学直写应用中，采用红波光线或红外波光线作为抑制光时，基板表面的光敏材料仅与直写光束产生光敏反应，而不与抑制光束产生光敏反应，抑制光束只是改变基板上光敏材料对直写光束的光敏反应阈值，因此在抑制光照射区域抑制了直写光束对光敏材料的感光效率。
44.控制模块5与第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2连接，用于根据目标图像信息控制第一数字光空间调制器件1动作，以使第一数字光空间调制器件1对投射的直写光束进行调制并射出携带目标图像信息的光线，以及，根据抑制图像信息控制第二数字光空间调制器件2动作，以使第二数字光空间调制器件2对投射的抑制光束进行调制并射出携带抑制图像信息的光线。
45.具体地，控制模块5可以包括如数据处理芯片或者单片机等具有数据处理功能的装置，控制装置5根据目标图像信息控制第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2开启，以及并控制第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2中各个反射镜的角度，使得第一数字光空间调制器件1反射携带目标图像信息的光线，以及使得第二数字光空间调制器件2反射携带抑制图像信息的光线。
46.成像系统6用于将携带目标图像信息的光线和携带抑制图像信息的光线叠加并投射至涂有光敏材料的基板表面，以在涂有光敏材料的基板表面形成叠加图像，叠加图像包括目标图像和抑制图像，抑制图像为目标图像的轮廓图像，即抑制图像包围目标图像，目标图像被限制在抑制图像中央，由于直写光束与基板表面上的光敏材料可产生光敏反应，而抑制光束与基板表面的光敏材料不产生光敏反应，只起到抑制直写光束与光敏材料光敏反应的作用，因此，当携带目标图像信息的直写光线和携带抑制图像信息的抑制光线叠加并同时投射至涂有光敏材料的基板表面时，能够在涂有光敏材料的基板表面上只直写入目标图像，不会直写入抑制图像，并且抑制图像可以抑制直写图像的轮廓的扩散，因此，抑制图像相当于形成了目标图像的掩膜，可以使得直写光束被限制在比衍射极限更小的区域里曝光，从而可以形成比衍射极限更小的图形线条特征。
47.其中，结合图5-图7描述本发明实施例的汇聚至涂有光敏材料的基板表面上的目标图像以及轮廓图像。图5是根据本发明一个实施例的一种目标图像的示意图；图6是根据本发明一个实施例的一种轮廓图像的示意图；图7是根据本发明一个实施例的一种目标图像和轮廓图像组合的示意图。
48.以图5-图7中示出的目标图像为一个“十”字为例，第一数字光空间调制器件1反射携带目标图像信息的光线，该携带目标图像信息的光线通过成像系统6后，在涂有光敏材料的基板表面上投影形成如图5所示的目标图像。第二数字光空间调制器件2反射携带有抑制图像信息的光线，该携带抑制图像信息的光线通过成像系统6后，在涂有光敏材料的基板表
面上投影形成如图6所示的抑制图像。两种光束叠加被投影至涂有光敏材料的基板表面上时形成如图7所示的图像，抑制图像为目标图像的轮廓图像。
49.进一步地，可根据图8描述本发明实施例的直写光束的曝光线宽，其中，图8中的(1)为根据本发明一个实施例的直写光束的曝光线宽的示意图，其中，曲线a表示直写光束在成像面上一个光斑的强度分布，a1表示未增加抑制光束时的直写光束的曝光线宽，曝光线宽比较宽，容易因为衍射极限的限制而造成直写图像边缘虚化，导致图像模糊。图8中的(2)为根据本发明一个实施例的增加抑制光束后的直写光束的曝光线宽的示意图，其中，曲线a表示直写光束的光斑强度分布，曲线b表示抑制光束的光斑强度分布，并且将直写光束限定在抑制光束中间区域，a2表示增加抑制光束后的直写光束的曝光线宽，且a2小于a1。由此可见，增加抑制光束对直写光束与光敏材料的光敏反应进行抑制后，能够使直写光束被限制在更小的范围内，保证直写光束投影形成的目标图像不被衍射极限限制，从而能够提高直写光束在光敏材料上成像的分辨率。
50.根据本发明实施例提出的光学直写成像装置100，通过采用第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2，增加抑制光束对直写光束进行抑制，使得直写光束被限制在更小的范围内，并且在涂有光敏材料的基板表面上投影出以抑制图像为轮廓的目标图像，保证直写光束投影形成的目标图像不被衍射极限所限制，从而可以形成比衍射极限更小的图形线条特征，抑制光束能够提高涂有光敏材料的基板表面对直写光束的光化反应阈值，进而保证光学直写成像装置100具有较高的解析度。
51.在本发明的实施例中，第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器2的设置位置不作具体限制，能够使得进入成像系统6的直写光束和抑制光束重叠即可。在本发明的一些实施例中，如图4所示，第一数字光空间调制器件1与第二数字光空间调制器件2呈垂直方向设置。经第一数字光空间调制器件1调整并发出的携带有目标图像信息的光线的光路与经第二数字光空间调制器件2调整并发出的携带有抑制图像信息的光线的光路的方向相互垂直，光路简单，容易搭建。当然，也可以通过增加一些光反射元件或其它光元件来改变光路，以调整第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器2的设置位置，具体可以根据系统的布局来设置。
52.进一步地，如图4所示，光学直写成像装置100还包括分光元件7，分光元件7设置在第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2的出射光光路上，用于透过携带目标图像信息的光线以及反射携带抑制图像信息的光线，从而使得数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器2射出的光束重叠并入射至成像系统6。
53.在本发明的一些实施例中，分光元件7与第一数字光空间调制器件1的出射光光路呈第一角度以及与第二数字光空间调制器件2的出射光光路呈第二角度，第一角度和第二角度的和为90
°
。
54.其中，可根据直写光束和抑制光束的光线波长等性质以及根据对不同种类光线的透光率的需求，对第一角度和第二角度的值进行设定，在此不做具体限制。在光线到达分光元件7之前，携带抑制图像信息的光线的光路与携带目标图像信息的光线的光路垂直，在经过分光元件7处发生透射或反射后，携带抑制图像信息的光线的光路与携带目标图像信息的光线的光路变为一致。例如，在第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2呈垂直方向设置时，可设置第一角度和第二角度均为45
°
，第一数字光空间调制器件1反射
的携带目标图像信息的光线能够透过分光元件7，第二数字光空间调制器件2反射的携带抑制图像信息的光线在分光元件7处发生反射时，反射角呈45
°
，刚好能保证反射后的光线与透射过的光线的光路一致。
55.在本发明的一些实施例中，如图4所示，光学直写成像装置100还包括曝光台8，曝光台8用于放置涂有光敏材料的基板。将涂有光敏材料的基板放置于曝光台8上后，携带抑制图像信息的光线与携带目标图像信息的光线经成像系统6后在涂有光敏材料的基板表面上汇聚成像。其中，以目标图像为一个“十”字为例，第一数字光空间调制器件1反射的携带目标图像信息的光线穿射过分光元件7并经成像系统6汇聚后，在涂有光敏材料的基板表面上投影形成如图5所示的目标图像。第二数字光空间调制器件2反射的携带抑制图像信息的光线在分光元件7处发生反射并经成像系统6汇聚后，在涂有光敏材料的基板表面上投影形成如图6所示的抑制图像。抑制图像为目标图像的轮廓图像，两种光束叠加被投影至涂有光敏材料的基板表面上时形成如图7所示的图像，将直写光束限定在抑制光束中间区域，能够使直写光束被限制在比衍射极限更小的区域里曝光，从而可以形成比衍射极限更小的图形线条特征。并且涂有光敏材料的基板仅能直写入直写光束，而不能直写入抑制光束，因此目标图像外围的抑制图像不会对目标图像造成干扰，从而保证将目标图像直写入涂有光敏材料的基板表面时的直写效果更好。
56.再例如，如图9所示，为根据本发明另一个实施例的一种目标图像和轮廓图像组合的示意图。以图9中示出的目标图像为一个“·”为例，图像中心的黑色图像区域为投影后的目标图像，黑色区域周围的轮廓图像为抑制图像，目标图像被限定在抑制图像内部。即使当需要直写到涂有光敏材料的基板表面上的目标图像很小时，也够使直写光束被限制在比衍射极限更小的区域里曝光，从而保证光学直写的超高分辨率。
57.在本发明的一些实施例中，第一光源3包括多个具有不同第一波长的第一子光源，根据可与基板表面上的光敏材料产生光敏反应的直写光束的波段控制第一光源中对应波长的第一子光源启动。第二光源4包括多个具有不同第二波长的第二子光源，根据不能与基板表面上的光敏材料可产生光敏反应的抑制光束的波段控制第二光源中不被感测的波长的第二子光源启动。
58.举例而言，第一光源3包括的多个具有不同第一波长的第一子光源可以为第一子光源矩阵，其中，该第一子光源矩阵中的多个第一子光源启动时可发射出多种波长的光束，或者多个第一子光源可包括多个第一子光源矩阵，每个第一子光源矩阵启动时所发出的光束的波长不同。以及，第二光源4包括的多个具有不同第二波长的第二子光源可以为第二子光源矩阵，其中该第二子光源矩阵中的多个第二子光源启动时可发射出多种波长的光束，或者多个第二子光源可包括多个第二子光源矩阵，每个第二子光源矩阵启动时所发出的光束的波长不同。
59.其中，可以控制第一光源3和第二光源4中的部分或者全部子光源启动，从而适应性调整直写光束和抑制光束强度以满足光敏材料的对光线的光敏反应的要求。并且可以根据可与基板表面上的光敏材料产生光敏反应的直写光束的波段，以及根据不能与基板表面上的光敏材料可产生光敏反应的抑制光束的波段，控制第一光源3启动时能够发出能够与光敏材料产生光敏反应的波段的光束作为直写光束，控制第二光源4启动时发出不能与光敏材料产生光敏反应的波段的光束作为抑制光束，从而使本发明实施例的光学直写成像装
置100能够在涂有不同种类光敏材料的基板直写入目标图像，适用范围广。
60.在本发明的另一些实施例中，如图10所示，为根据本发明另一个实施例的光学直写成像装置的示意图，其中，光学直写成像装置100还可以包括图像采集模块9，图像采集模块9与涂有光敏材料的基板连接，用于获取目标图像并显示。
61.在实施例中，图像采集模块9可包括计算机屏幕、液晶显示屏等，直写在涂有光敏材料的基板表面上的目标图像可直接由图像采集模块9直接获取并显示。在光学直写成像的过程中，技术人员可根据获取到的目标图像进行相关操作，例如调整第一光源3和第二光源4的工作状态以及分光元件7和成像系统6的位置等，或者发送指令给控制装置5，进而适应性调整第一数字光空间调制器件1和第二数字光空间调制器件2的工作状态，例如分别调整两个数字光空间调制器件中的多个小型铝制反射镜面的角度等，以进一步对目标图像进行设定或调整，从而保证将目标图像直写到涂有光敏材料的基板表面上的精度。
62.光学直写成像装置100可以为光刻机、激光直写设备，或者应用于工艺实验仪器或加工工艺设备中，可用于制作平面计算全图、掩膜、微透镜、微透镜阵列等，应用范围广。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。