[发明专利]直写光刻系统和直写光刻方法

说明书

一种直写光刻系统和直写光刻方法，其中直写光刻系统包括直写光源、运动机构、中央控制器、光斑图形输入装置以及投影光学装置；运动机构用于带动投影光学装置沿预设路径扫描，并用于发出参考点的位置数据；中央控制器用于根据位置数据读取光斑图形文件序列中对应的光斑图像数据；光斑图形输入装置用于根据光斑图像数据将直写光源提供的起始光束调制生成图形光；投影光学装置用于根据图形光向光刻件的表面投影出变形光斑，并在运动机构的带动下沿预设路径扫描，在扫描过程中光斑图像数据随位置数据而变化，形成预设的可控变形光斑。本发明的直写光刻系统和直写光刻方法实现了复杂表面三维形貌结构的无掩模灰度光刻，并提高了光刻精度和光刻效率。

技术领域

本发明涉及微纳米加工技术领域，尤其涉及一种直写光刻系统和直写光刻方法。

背景技术

光电子是继微电子之后迅速发展的高新技术，当前的激光器件、光探测器、衍射光栅等是光电子技术的初始发展产品，光电子技术未来在显示、成像、探测等方面有着广阔的发展前景。

从器件微结构分析，微电子器件中的电路是2D图形，且图形占空比不高，而光电子器件更关注微结构的表面3D形貌，多台阶、连续形貌是主要特征。所以面向光电子新应用的3D微结构的加工需求与当前微电子需求不同，面型需求从2D转变到3D。虽然当前产品应用较普遍的微棱镜、微透镜等也具有3D结构，但还属于规则结构，随着技术发展，光电子应用微结构需求从规则3D到复杂3D转变。复杂3D结构的加工方法对于光电子领域诸多研究支撑极具科学意义，对于新行业、新应用的发展具有战略意义。

当前，实现3D微纳形貌的主要微加工技术手段有精密金刚石车削、3D打印、光刻等技术。金刚石车削是制作数十微米尺寸、规则排列3D形貌微结构的优选方法，其典型应用是微棱镜膜；3D打印技术可以制作复杂的3D结构，但传统振镜扫描3D打印技术的分辨率为数十微米；DLP投影式3D打印的分辨率为10-20um；双光子3D打印技术，虽然分辨率能达到亚微米，但属于串行加工方式，效率极低。基于光刻胶曝光模式的微光刻技术仍然是现代微加工的主流技术手段，其光刻胶材料成熟，工艺可控，是目前为止所能达到的最高精度的加工手段。

2D投影光刻技术已经广泛应用于微电子领域，3D形貌光刻技术目前还处于初级阶段，没有形成成熟的技术体系，目前进展如下：

1、传统掩模套刻法，用于做多台阶结构，结合离子刻蚀控制结构深度，工艺过程需要多次对准，工艺要求高，难以加工连续的3D形貌。

2、灰度掩模曝光法，其技术方案是制作半色调掩模版(half-tone)，汞灯光源照射后产生灰度分布的透过光场，对光刻胶进行感光，形成3D表面结构。然而，这类掩模版制作难度大，结构分辨率差，流程复杂，且价格非常昂贵。

3、移动掩膜曝光法，较适于制作规则的微透镜阵列等结构。

4、声光扫描直写法，使用单光束直写，效率较低，还存在图形拼缝问题。

5、电子束灰度直写法，代表厂商及产品型号包括：日本Joel JBX9300、德国Vistec、Leica VB6，该方法面向较大幅面的器件制备效率极低，受限于电子束的能量，3D形貌深度调控能力不足，只能适用于制备小尺度的3D形貌微结构。

6、数字灰度光刻法，属于将灰度掩模和数字光处理技术结合而发展来的微纳加工技术，采用DMD空间光调制器作为数字掩膜，通过一次曝光加工出连续三维面形的浮雕微结构，对于大于一个曝光视场的图形采用步进拼接的方法。主要不足是灰度调制能力受DMD灰度等级的限制，存在明显台阶问题和视场间拼缝问题，并且光斑内部光强均匀性会影响3D形貌的面型品质。

综上，3D形貌光刻的研究现状与前沿需求之间存在着明显差距，因此，实现任意3D形貌的高品质光刻方法成为了相关领域对微光刻技术提出的重要且迫切的需求。

发明内容