[发明专利]一种光学加工系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别是一种结合干涉光刻技术和激光直写技术的光学加工系统和方法。

背景技术

光刻技术是微纳制造的支撑性技术，其应用领域广泛覆盖了微电子、微纳光学、平板显示及其生物医学等多个行业。在新兴产业中，新材料和新器件研究过程中都将光刻技术视作不可或缺的技术手段，并且对光刻技术的进一步提升有着迫切的要求，包括光刻分辨率、光刻质量和光刻加工的效率。

光刻技术的基本原理是：采用微缩成像光路，将掩膜板或者空间光调制器上的图形进行微缩后，投影到工作表面，实现一个视场的曝光。通过工件台的二维移动，将曝光视场拼接起来，即可实现大幅面的光刻加工。

采用掩膜板的投影光刻系统，称为掩膜曝光机。采用空间光调制器的投影光刻系统，称为激光直写系统或者无掩膜光刻系统。相比掩膜曝光机，更加灵活和便捷。尤其在大面积的精密图形制作上，其加工效率、尺寸精度和图形均匀性等方面具有明显优势。空间光调制器，也被称为图形发生器，用来显示像素化的二维图形，典型的显示区域大小为1024×768像素，单个像素的尺寸在10微米左右。

在上述光刻系统的各项性能指标中，光刻分辨率的提升无疑是最为重要和最具价值的，其次是图形质量和加工效率。

在特定的波长λ下，最小光刻分辨率σ受限于光学系统（镜头）的数值孔径。

最小光刻分辨率分辨率可表达为：

σ=λ/(2n*sinθ)，

其中n为光学材料折射率，sinθ为镜头孔径角，（n*sinθ）被称作镜头的数值孔径（记作NA），其中n是镜头材料相对介质的折射率，sinθ是镜头的孔径角。

减少波长和增加数值孔径，是提升光学分辨率的最直接最重要的途径。因此在各种光学系统，已经尽可能采用更短波长的光源和高数值孔径的镜头，这使得研发成本大幅增加，同时也面临着设计和制造的巨大困难。

缩短激光的波长面临的主要为问题是，短波长的激光器成本高，而且稳定性和光束质量差。同时，用于短波长的光学镜片，材料昂贵而且难以加工，形面精度要求随着波长缩短，难度增加。

提高镜头的数值孔径的主要分为两部分。一是提高折射率n。这个已经通过液体浸没式光刻实现，无法进一步提高。二是提高孔径角sinθ，其困难在于镜头的设计和制造。如果镜头的视场较大，其难度进一步增加。商用的大孔径角的镜头往往视场很小，也就是说，为了获得高光学分辨率，必须在视场尺寸上做出让步。

根据这一指导思想，参考文献microlens scanner for microlithography and wid-field confocal microscopy--US6133986和参考文献diffractive optics for maskless lithography and imaging（P41），分别将微透镜和波带片，引入到投影光刻系统中。这两种光学器件的视场很小，但孔径角大，借此获得高光学分辨率。

其主要不足有几点：1、光刻分辨率提升有限。普通投影成像镜头的数值孔径最高可达0.75以上，引入的微透镜和波带片的数值孔径最大约0.95（diffractive optics for maskless lithography and imaging（P71）），其分辨率的提升小于30%；2、高数值孔径阵列式的微透镜和波带片的制作难度大；3、微透镜和波带片与投影成像系统的对准调整精度要求很高，不但要实现水平面内X-Y阵列的精密对准，还要实现高度方向焦面的对准，实现难度大。

发明内容

基于上述分析，本发明提出了一种光学加工系统和方法，结合了成像光路和干涉型光路。基于消零级干涉光刻的效果，提高了光刻分辨率。同时，光路的对准调整容易。为了便于理解本发明的创作原理，首先对干涉光刻的性能进行分析：

在光学系统的波长和数值孔径一定的情况下，干涉光学系统可获得分辨率倍增，其最小线宽为λ/(4nsinθ)，是普通光学系统的一半。

干涉光学系统的分辨率倍增，主要基于双光束干涉光场，其基本原理分析请参见图1：

成一定夹角的光束1和光束2干涉曝光光场的复振幅分布为经典的cos函数，复振幅表达式如下