[发明专利]一种直写式光刻加工系统及光刻方法

说明书

技术领域

本发明属于光刻技术领域，具体地，是一种用于制备三维曲面的直写式光刻加工系统和光刻方法。

背景技术

三维曲面(微)结构，在光学薄膜、平板显示、微光学器件以及微机电系统（MEMS）等诸多领域具有广泛应用。例如，具有球面结构的微透镜阵列，也被称为蝇眼透镜，可实现光束匀化和阵列成像，广泛应用于光刻机光源和CCD检测等领域。又例如，具有V型沟槽和金字塔结构的光学薄膜，具有定向反射的光学效果，广泛应用于公共交通领域的安全标识。

目前三维曲面(微)结构的制作方法主要有，特殊物理和化学工艺方法、精密机械加工和光刻加工共三大类方法，逐一分析如下。

特殊的物理和化学工艺方法，是指利用特殊的物理和化学效应生成特定的三维曲面的加工方法。例如，对光刻胶和玻璃等低熔点材料，采用热熔回流的处理方法，依靠重力和液体的表面张力，很容易获得球面以及柱面结构。又例如，利用晶体硅的各项异性，进行化学腐蚀，可以获得V型和金字塔型的槽型结构。这类方法的优点是成本低廉，曲面质量良好，但是主要缺点是，只能制备特定的少数几种曲面结构类型，通用性和灵活性很差。

精密机械加工方法，采用金刚石车床和数控精雕机等精密和超精密加工机床进行材料切削加工，主要设备供应商以日本东芝和德国库格勒等公司为代表。该加工方式获得曲面微结构，面形精度良好，尺寸精准可控，特别适合大批量光学器件和光学薄膜的模具制作。该方法主要有三点不足，一是，设备价格昂贵，加工成本高，小批量加工难以承受；二是，加工效率低。这是因为精密切削加工获得所需面形的原理是，由点组成线，由线组成面，从根本上说，是一种串行方式，因而效率相对较低。另外，深度很大的面形，往往需要多次加工，否则会损伤刀具；三是，可加工的曲面类型不够丰富，灵活性差。一般只能加工回转面和条纹面等较为简单的曲面结构。特殊曲面和槽型的加工，需要首先对刀具进行精密整形，费工费时。

光刻方法生成曲面结构，一般称为灰度光刻，具体的实现方法有掩膜光刻、电子束光刻以及激光直写。具体分析如下：

掩膜光刻的主要不足是其加工的灵活性较差。掩膜光刻是一种基于模版加工，在掩膜光刻之前，必须首先制备曝光的铬板。

另外，采用掩膜曝光进行灰度光刻时，无法对曝光光强的进行精密控制，最终曲面的面形精度有限。灰度光刻一般采用灰度掩膜，这种灰度掩膜表面分布密度不均的网点，需要曝光量大的地方，则网点密度大，透过的光比较大，需要曝光量小的地方，则将网点密度降低，使透过的光比较小。通过这种网点的疏密，近似表达所需的灰度效果，不够严格和精密，所形成的灰度图形的分辨率往往较低。

电子束光刻系统的成本很高，而且加工效率极低。由于真空腔体的体积的限制，其加工幅面通常很小。另外，由于电子束的曝光原理的特殊性（高能粒子轰击产生散射），其曝光工艺不利于获得镜面级的光洁表面。

最后分析激光直写。第一类激光直写系统，采用振幅型空间光调制器和成像光路。这里的振幅型空间光调制器，典型代表DMD和LCOS。

DMD的直接输出光场为黑白二值的，但是通过分时累计曝光，可以实现灰度光强。LCOS工作在振幅调制工作方式下，可以直接输出灰度光场。

受限于空间光调制器的像素化结构和多级式灰度，其光场灰度的连续性和准确性仍然不够理想。

另外，这类光刻系统在进行灰度光刻时，为了减小光学吉布斯现象，一般不宜采用激光光源（相干光），无法实现飞行曝光方式。所谓光学吉布斯现象是指，由于其成像光路的孔径限制，其输入光场的高频信息被滤除，导致其曝光生成曲面结构（包括平面结构）时，光场的边缘和中部均有波纹和起伏。如图1所示。

这类光刻系统在进行灰度光刻时，一般采用汞灯和LED等非相干光源，以提高灰度光刻的质量。与激光相比，这些光源难以实现高能量短脉冲飞行曝光方式，在加工效率和定位精度上仅处于中低端水平。

需要额外提及的是，以LCOS作为纯位相的器件，通过光场重构的方法，理论上可以实现任意轮廓的光场分布。这种加工方式的主要缺点是，再现光场的噪声很大，并且难以消除多级光的影响。另外，傅立叶重构的算法虽然有多种，包括G-S算法和Y-G算法等，但是很难获得曲面光场分布的最优解。

另一类，激光直写系统，采用光束扫描器件(或者说偏转器件)和聚焦光路。其输出光场为单个聚焦点，通过对单光点扫描的精密均匀叠加，可以实现上述的精密曲面微结构。但是其主要问题是单点扫描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光学扫描器件的设备成本很高。