一种光学引擎系统的制作方法

1.本实用新型涉及数字化激光直写曝光技术领域，特别涉及一种光学引擎系统。


背景技术：

2.相关技术中，对于激光直写曝光机，当前主流量产线宽为25um至75um，精度较高的激光直写曝光机用于菲林制造等可达5um。在面对市场应用下，对于高密度图形的需求和部分半导体晶圆行业的光刻要求，1um及亚微米量级的激光直写曝光机显现出了自身的优势。随着软件算法和载物平台制造水平的提升，曝光机的设计也需要进一步实现改进，而当前技术局限于dmd的像素尺寸上，对于曝光机的光路系统，其难以实现传输中的图案缩小，导致最终仅实现精度低且线宽相对更大的图形光刻。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种光学引擎系统，解决了当前技术曝光机的图形光刻精度低的问题。
4.根据本实用新型实施例的光学引擎系统，包括：
5.光源单元，用于发射曝光光束；
6.反射镜，设置于所述光源单元发射所述曝光光束的一侧，用于接收所述曝光光束并反射出反射光束；
7.第一聚焦透镜，设置于所述光源单元与所述反射镜之间的光束传递路径上；
8.空间光调制器，设置于所述反射镜反射出所述反射光束的一侧，用于生成像素图形或像素掩膜图形；
9.成像单元，设置于所述空间光调制器输出所述像素图形的一侧，用于对所述像素图形或所述像素掩膜图形进行高分辨率成像；
10.第二聚焦透镜，设置于所述空间光调制器与所述成像单元之间的光束传递路径上。
11.根据本实用新型实施例的光学引擎系统，至少具有如下有益效果：
12.利用光源单元产生曝光光束，经由反射镜对曝光光束进行反射，形成反射光路并传至空间光调制器，以生成像素图形或像素掩膜图形，产生的光将输入至成像单元，成像单元可采用高倍率镜头，以生成高分辨率图形，来用于后续图形的校准对位。在光束传递过程中，利用第一聚焦透镜来精准配合光束聚焦至物面位置，确保图形的清晰度；利用第二聚焦透镜来实现光束整形，并可配合成像单元所采用的高倍率镜头产生更大的缩放比，实现更细的图形线条。相较于现有技术，本实用新型实施例的光学引擎系统在各元件或单元的结合作用下，可实现高精度图形光刻，且基于当前的曝光系统可完全实现，性价比高，开发成本相对低。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜皆采用非球面透镜。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述光源单元包括：
15.曝光光源；
16.光纤，其一端与所述曝光光源的输出端连接；
17.光准直匀化装置，与所述光纤的另一端连接，用于对所述曝光光束进行准直和/或均匀化处理后输出。
18.根据本实用新型的一些实施例，所述曝光光源采用蓝紫光源。
19.根据本实用新型的一些实施例，所述光纤采用方形光纤。
20.根据本实用新型的一些实施例，所述成像单元包括：
21.成像镜头，具有入光口和出光口，所述入光口位于靠近所述空间光调制器的一侧，所述出光口位于远离所述空间光调制器的一侧；
22.成像焦面，设置于靠近所述出光口的一侧。
23.根据本实用新型的一些实施例，所述成像镜头的数值孔径范围为0.25至0.5。
24.根据本实用新型的一些实施例，所述成像镜头采用远心镜头。
25.根据本实用新型的一些实施例，所述空间光调制器采用数字微镜器件。
26.本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
27.本实用新型的上述和/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：
28.图1为本实用新型实施例的光学引擎系统的结构示意图；
29.图2为本实用新型实施例的光学引擎系统的光束传递路径示意图。
30.附图标号：
31.反射镜100；
32.第一聚焦透镜210；第二聚焦透镜220；
33.空间光调制器300；
34.光纤410；光准直匀化装置420；
35.成像镜头510；成像焦面520。
具体实施方式
36.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
38.在本实用新型的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于
区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
39.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
40.参照图1所示，本实用新型一种实施例的光学引擎系统，包括：光源单元、反射镜100、第一聚焦透镜210、空间光调制器300、成像单元、第二聚焦透镜220。光源单元用于发射曝光光束；反射镜100设置于光源单元发射曝光光束的一侧，用于接收曝光光束并反射出反射光束；第一聚焦透镜210设置于光源单元与反射镜100之间的光束传递路径上；空间光调制器300设置于反射镜100反射出反射光束的一侧，用于生成像素图形或像素掩膜图形；成像单元设置于空间光调制器300输出像素图形的一侧，用于对像素图形或像素掩膜图形进行高分辨率成像；第二聚焦透镜220设置于空间光调制器300与成像单元之间的光束传递路径上。
41.本实用新型实施例的光学引擎系统，利用光源单元产生曝光光束，经由反射镜100对曝光光束进行反射，形成反射光路并传至空间光调制器300，以生成像素图形或像素掩膜图形，产生的光将输入至成像单元，成像单元可采用高倍率镜头，以生成高分辨率图形，来用于后续图形的校准对位。在光束传递过程中，利用第一聚焦透镜210来精准配合光束聚焦至物面位置，确保图形的清晰度；利用第二聚焦透镜220来实现光束整形，并可配合成像单元所采用的高倍率镜头产生更大的缩放比，实现更细的图形线条。相较于现有技术，本实用新型实施例的光学引擎系统在各元件或单元的结合作用下，可实现高精度图形光刻，且基于当前5um的曝光系统可完全实现，性价比高，开发成本相对低。
42.参照图1所示，以图中的设置方位为参考，光源单元设置于左侧，第一聚焦透镜210设置于光源单元的右侧且镜面正对光源单元的出光口，反射镜100设置于第一聚焦透镜210的右侧，第二聚焦透镜220设置于反射镜100的下侧，空间光调制器300设置于第二聚焦透镜220的下侧且其表面与第二聚焦透镜220的镜面平行，成像单元设置于第二聚焦透镜220的上侧且其入光口正对第二聚焦透镜220的镜面。继续参考图2，如图2所示的实施例中，根据元件的放置关系，反射镜100的反射角度需要大于90度。而在一些实施例中，根据不同的元件放置情况，可以选择不同反射率大小的反射镜100，以实现所要求的光束传递路径。
43.参照图2所示，对于本实用新型实施例的光学引擎系统，其完整的光束传递路径为：光源单元输出曝光光束，经第一聚焦透镜210处理后，传至反射镜100，经第二聚焦透镜220再传至空间光调制器300，空间光调制器300接收光信号后进行光调制来输出图形，再经第二聚焦透镜220处理后，最终传至成像单元，完成高分辨率成像。
44.在一些实施例中，如图1所示，第一聚焦透镜210和第二聚焦透镜220皆采用非球面透镜。
45.可以理解的是，聚焦透镜有五种基本类型：平凸透镜、正凹凸透镜、非球面透镜、衍射透镜和反射透镜。而采用非球面透镜的优点在于：首先，非球面透镜可减少球差，当镜头无法将所有入射光畸变聚焦在同一点上时，就会发生球差。即使将其加工到理论极限，标准的球面透镜也永远无法达到非球面透镜提供的精确聚焦水平。非球面不规则表面形状的本质就是使其能够更精确地同时操纵多种波长的光，从而获得更清晰的图形。其次，非球面透
镜能够校正像场弯曲等离轴像差。通常，光学设计人员必须“停止”其光学系统，以物理排除透镜最外侧的区域，该区域会在其边缘附近产生图形变形。由于非球面设计可以更好地将入射光校正到焦点上，因此增加了透镜的可用光圈，从而可以提供更大的光通量。最后，非球面透镜减少了获得给定结果所需的总体镜片数量。由于非球面透镜可以更好地控制通过系统的光，因此在许多情况下，单个非球面透镜可以提供与以前串联使用的多个标准镜头相同的精度。这减少了整体重量，尺寸，甚至可能减少最终设计的成本。
46.在一些实施例中，如图1所示，光源单元包括：曝光光源、光纤410、光准直匀化装置420。光纤410的一端与曝光光源的输出端连接；光准直匀化装置420与光纤410的另一端连接，用于对曝光光束进行准直和/或均匀化处理后输出。
47.参照图1或图2所示，曝光光源在图中并未表示出来，光纤410的一端与曝光光源连接，光纤410的另一端与光准直匀化装置420连接。曝光光源经光纤410传输，以曝光光束的形式输出，传输至光准直匀化装置420后，进行准直和/或均匀化处理，为图形均匀性提供更高的保证，再传输至聚焦单元进行处理。应理解地是，在一些实施例中，光源单元也可以直接采用已经过准直和/或均匀化处理的曝光光源或平行光，本实用新型不限于此。
48.具体地，在一些实施例中，光准直匀化装置420包括准直透镜和微透镜阵列器件。准直透镜具有正光焦度，用于对来自曝光光源的光束进行会聚，从而形成达到基本准直的准直光束；微透镜阵列器件包括微透镜阵列，微透镜阵列由多个微透镜在基板上阵列排布而形成，用于对来自准直透镜的准直光束进行匀光和整形。
49.在一些实施例中，曝光光源采用蓝紫光源。可以理解的是，曝光光源还可以采用近紫外光源，蓝紫光源或扩展近紫外光源的感光胶作用效果极佳，且蓝紫光源曝光的同时支持扩展光源波段。
50.在一些实施例中，光纤410采用方形光纤。方形光纤的内芯为方形，其外保护套为圆柱形。通过采用方形光纤，更有利于后续的准直均光的处理效果。在一些实施例中，光纤410还可采用矩形光纤、八边形光纤等一些匀化光纤。
51.在一些实施例中，如图1所示，成像单元包括：成像镜头510、成像焦面520。成像镜头510具有入光口和出光口，入光口位于靠近空间光调制器300的一侧，出光口位于远离空间光调制器300的一侧；成像焦面520设置于靠近出光口的一侧。
52.参照图1或图2所示，以图中的设置方位为参考，成像镜头510的入光口设置于聚焦单元上侧，以接收聚焦单元处理后空间光调制器300所输出的像素图形或像素掩膜图形。成像焦面520设置于成像镜头510的出光口的上侧，以在平面上呈现成像镜头510处理后输出的高分辨率图形。
53.在一些实施例中，成像单元可采用成像透镜，也可以采用照相机或摄像机。
54.在本实用新型的一些实施例中，成像镜头510的数值孔径范围为0.25至0.5。
55.数值孔径(na)是一个无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。数值孔径越大，收集到的光越多，分辨率越高。采用0.25至0.5范围的数值孔径，可有效提升衍射极限。
56.在一些实施例中，成像镜头510采用远心镜头。
57.具体地，成像镜头510采用高倍率远心镜头，其放大率范围为10x至50x。第二聚焦单元可配合高倍率远心镜头的小光阑设置，进行物镜倒装，产生更大的缩放比，实现更细的
图形线条，可实现高精度解析能力，实现亚微米线条分辨率，在半导体加工领域可得到很好的应用。
58.在一些实施例中，空间光调制器300采用数字微镜器件。
59.数字微镜器件(dmd)可采用高品质的dmd芯片，其拥有更小的像素单元，更大的翻转角度，可以实现更精细图形的翻转发射。同时搭配高精度数据处理系统dlp和数据处理软件，能实现精细图形的传输。在一些实施例中，数字微镜器件的型号可采用dlp4500、dlp5500、dlp6500等其中一种。
60.在一些实施例中，空间光调制器300还可采用液晶显示器件lcd、硅基液晶器件lcos等其中一种。
61.为了更好地便于本领域相关技术人员理解，为了更好地便于本领域相关技术人员理解，这里以一个具体实施例进行说明。
62.参照图1、图2所示，本实施例的光学引擎系统包括蓝紫光源、方形光纤、光准直匀化装置420、反射镜100、第一非球面透镜、数字微镜器件、数值孔径为0.5且放大率为50x的远心镜头、成像焦面520、第二非球面透镜。以图1中的设置方位为参考，蓝紫光源在图中并未表示出来，方形光纤的一端与蓝紫光源连接，方形光纤的另一端与光准直匀化装置420连接，第一非球面透镜设置于光准直匀化装置420的右侧且镜面正对光准直匀化装置420的出光口，反射镜100设置于第一非球面透镜的右侧，第二非球面透镜设置于反射镜100的下侧，数字微镜器件设置于第二非球面透镜的下侧且其表面与第二非球面透镜的镜面平行，数值孔径为0.5且放大率为50x的远心镜头设置于第二非球面透镜的上侧且其入光口正对第二非球面透镜的镜面，成像焦面520设置于数值孔径为0.5且放大率为50x的远心镜头的上侧且正对其出光口。
63.参照图2所示，蓝紫光源经方形光纤传输，以光束的形式输出，传输至光准直匀化装置420后进行准直和/或均匀化处理，然后经第一非球面透镜处理后，传至反射镜100，经第二非球面透镜再传至数字微镜器件，数字微镜器件接收光信号后进行光调制来输出图形，再经第二非球面透镜处理后，最终传至数值孔径为0.5且放大率为50x的远心镜头，并在成像焦面520上形成高分辨率图形。本实施例的光学引擎系统在各元件或单元的结合作用下，可实现高精度图形光刻，且基于当前5um的曝光系统可完全实现，性价比高，开发成本相对低。
64.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实用新型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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。