一種激光直寫式光刻光路系統(tǒng)

孫明睿，甄萬財

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

傳統(tǒng)的接觸式光刻工藝和投影式光刻工藝都需要制作掩模版，實現(xiàn)光刻圖形由掩模版到基片的翻刻，適合批量大、刻蝕面為平面的半導體產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，但對于產(chǎn)品研發(fā)試制，尤其刻蝕面為球面等非平面時，則不太適用，且投入成本大，耗費周期長。

本文主要論述了一種可動態(tài)調(diào)焦的激光直寫式光刻系統(tǒng)，該系統(tǒng)中紫外半導體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過擴束整形、動態(tài)調(diào)焦、二維x/y 振鏡反射和f-theta 透鏡的映射聚焦，使激光束的焦點位置能在x、y、z 三維空間中精確移動，實現(xiàn)平面或非平面器件上相應位置的光刻膠感光，直接完成整片的光刻工藝。本文的激光直寫式光刻工藝主要用于曲面柵網(wǎng)器件的直寫式光刻工藝。

1 激光直寫式光刻光路

該激光直寫式光刻系統(tǒng)的光路主要包括激光器、擴束整形部分、大范圍調(diào)焦部分、動態(tài)調(diào)焦部分、x/y 二維振鏡和f-theta 透鏡部分，其整體光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 激光直寫式光刻光路示意圖

1.1 紫外激光器

用于光刻工藝的紫外激光器所需的功率不是很大，一般就幾十毫瓦以內(nèi)，通過倍頻方式獲得的355 nm 波長的紫外光束質(zhì)量一般較好，而405 nm等波長的激光一般需要額外校正光束質(zhì)量因子，且加入脈沖控制單元，才能滿足使用要求。

1.2 擴束整形單元

激光器的擴束整形一般有兩種，一種是開普勒結(jié)構(gòu)，光束經(jīng)前鏡組后會在前后鏡組之間產(chǎn)生會聚光斑，積聚熱量，而伽利略結(jié)構(gòu)使激光束的波陣面發(fā)散重構(gòu)，不形成會聚的焦點，更加有利于擴束校正，如圖2 所示。

圖2 伽利略擴束結(jié)構(gòu)

1.3 大范圍調(diào)焦單元

大范圍調(diào)焦單元包括沿z 向設(shè)置的兩個反射鏡，如圖3 所示，通過它們在z 向一定范圍內(nèi)的相對位置調(diào)整，實現(xiàn)了光路在z 向的延長，針對不同深度的器件方便調(diào)整激光束的焦點位置，因為激光經(jīng)擴束后的束腰位置距離擴束輸出端位置很遠，調(diào)焦單元反射鏡相對位置的調(diào)整不會對波陣面位置的改變有很大影響，可以忽略不計。

圖3 大范圍調(diào)焦單元

1.4 動態(tài)調(diào)焦單元

動態(tài)調(diào)焦單元(見圖4)在大范圍調(diào)焦單元中反射鏡2 的后面，包括一個負透鏡前組和一個正透鏡后組，通過電機帶動前鏡組前后移動，實現(xiàn)前鏡組與反射鏡2 及后鏡組的間距改變，從而微小地改變激光光束通過動態(tài)調(diào)焦單元后的發(fā)散角及波面中心的曲率半徑，與后續(xù)的x/y 振鏡掃描系統(tǒng)和f-theta 透鏡結(jié)合，實時地改變了激光束通過后的束腰位置，從而使工作面聚焦點位置在z 向一定范圍內(nèi)精確地實時改變。

圖4 動態(tài)調(diào)焦單元

1.5 x/y 振鏡反射單元

x/y 振鏡反射單元如圖5 所示，包括兩個按一定位置擺放的由電機帶動旋轉(zhuǎn)的反射鏡，通過電機帶動振鏡擺動，與后續(xù)的f-theta 透鏡配合，實現(xiàn)了激光束方向和位置的實時改變，并且振鏡的擺動角度與激光束焦點在x、y 方向上的聚焦位置有一個線性量化關(guān)系，便于對激光聚焦點位置的控制。因為兩個振鏡有一定的間距，同樣的擺動角度在x、y 方向上的行進距離會產(chǎn)生差異，產(chǎn)生運動軌跡上的枕形畸變，需要用電機的擺動角度與焦點位置進行校正，消除它帶來的位置誤差。

圖5 x/y 振鏡反射單元示意圖

1.6 f-theta 透鏡組單元

圖6 f-theta 透鏡組單元示意圖

f-theta 透鏡組單元示意圖如圖6 所示，激光光束通過振鏡系統(tǒng)后，根據(jù)振鏡系統(tǒng)的擺動角不同，實現(xiàn)光束在工作面上的掃描和聚焦。普通平行光入射的成像鏡頭像高與出射角的關(guān)系為：

而對于f-theta 鏡頭，像高與出射角的關(guān)系為：

因此f-theta 透鏡產(chǎn)生的振鏡擺動角與聚焦點之間是一種線性對應關(guān)系，相比傳統(tǒng)的成像鏡頭像高與出射角的對應關(guān)系，因為

所以f-theta 透鏡相當于引入了正畸變，以實現(xiàn)這種對應關(guān)系，如圖7 所示，隨著擺動角度的增大，引入的正畸變的數(shù)值也要相應的增大其線性畸變的數(shù)值為：

圖7 f-theta 透鏡引入正畸變的變化趨勢

將式(2)對時間進行微分，得：

ω 是振鏡掃描轉(zhuǎn)動的角速度，從式(5)可知，激光束焦點在工作面上的掃描速度v 與f-theta 透鏡的焦距f '和振鏡轉(zhuǎn)動的角速度ω 成正比。

2 總 結(jié)

本文提出了一種可動態(tài)調(diào)焦的激光直寫式光刻光路系統(tǒng)，并從原理上分析了擴束、動態(tài)調(diào)焦、x/y 振鏡、f-theta 透鏡的原理和所起的作用。該系統(tǒng)可實現(xiàn)x/y 二維掃描振鏡±5.5°范圍與工作臺±55 mm 范圍內(nèi)激光束焦點的準確線性映射關(guān)系，定位誤差小于±6 μm，通過動態(tài)調(diào)焦模塊，還可以使工作面的位置在z 軸方向±4 mm 范圍內(nèi)改變時，激光束仍可實時的精確聚焦。

該系統(tǒng)的激光束焦點尺寸在整個工作視場范圍內(nèi)不大于40 μm，可用于一些曲面柵網(wǎng)等分辨率要求不是太高的器件的直寫式光刻工藝，提高加工精度，加快器件的研發(fā)速度。

[1] 張以謨. 應用光學[M]. 電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 安連生. 應用光學[M]. 北京理工大學出版社，2000.

[3] Wen，C. M，Yuan，K. W and Chou，P. T，Lee，C.K. A design f-theta lens for bio 一medical system[J].IEEE：Biophotonics，2004. APBP 2004.The Second Asian and Pacific Rim Symposium on，14-17 Dec，2004：52-54.

[4] 于殿泓，李琳，姜明，等. 激光快速成型系統(tǒng)的誤差分析與校正[J]. 西安理工大學學報，2005，21(3)：232-235.

[5] 趙曰峰，陳興海，孫元峰，等. 振鏡式在線激光打標機精確定位方案的實現(xiàn)[J].激光雜志，2004，25(1)：65-66.