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品的生產工藝，但對于產品研發(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)出的光束經過擴束整形、動態(tài)調焦、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、大范圍調焦部分、動態(tài)調焦部分、x/y 二維振鏡和f-theta 透鏡部分，其整體光路結構示意圖如圖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，通過倍頻方式獲得的355 nm 波長的紫外光束質量一般較好，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，一種是開普勒結構，光束經前鏡組后會在前后鏡組之間產生會聚光斑，積聚熱量，而伽利略結構使激光束的波陣面發(fā)散重構，不形成會聚的焦點，更加有利于擴束校正，如圖2 所示。

圖2 伽利略擴束結構

1.3 大范圍調焦單元

大范圍調焦單元包括沿z 向設置的兩個反射鏡，如圖3 所示，通過它們在z 向一定范圍內的相對位置調整，實現(xiàn)了光路在z 向的延長，針對不同深度的器件方便調整激光束的焦點位置，因為激光經擴束后的束腰位置距離擴束輸出端位置很遠，調焦單元反射鏡相對位置的調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 大范圍調焦單元

1.4 動態(tài)調焦單元

動態(tài)調焦單元(見圖4)在大范圍調焦單元中反射鏡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 向一定范圍內精確地實時改變。

圖4 動態(tài)調焦單元

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生差異，產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系為：

而對于f-theta 鏡頭，像高與出射角的關系為：

因此f-theta 透鏡產生的振鏡擺動角與聚焦點之間是一種線性對應關系，相比傳統(tǒng)的成像鏡頭像高與出射角的對應關系，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 '和振鏡轉動的角速度ω 成正比。

2 總 結

本文提出了一種可動態(tài)調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 范圍內激光束焦點的準確線性映射關系，定位誤差小于±6 μm，通過動態(tài)調焦模塊，還可以使工作面的位置在z 軸方向±4 mm 范圍內改變時，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不大于40 μm，可用于一些曲面柵網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。

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