双波段照明系统及具有其的无掩模直写光刻设备的制作方法

1.本实用新型涉及光刻照明技术领域，尤其是涉及一种双波段照明系统及具有其的无掩模直写光刻设备。


背景技术：

2.在现有技术中，照明系统是直写光刻设备中曝光引擎的重要组成部分。决定了波长、能量、均匀性、发散角等曝光引擎关键指标，直接影响曝光效果和光刻生产效率。
3.直写光刻设备内通常设有照明系统进行曝光设计生产以实现图形转移，目前多数设备中的曝光光源通常是使用波峰为360nm
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410nm的led光源或者波峰为370nm
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375nm和400nm
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405nm的ld光源。led光源虽然波段较广，但是由于其发散角大使得成像系统中各类像差不能得到良好矫正，影响光刻效果，而且会减小成像系统焦深，影响光刻产品良率。而ld光源发散角相对较小，但是由于波段较为单一，使得工艺覆盖面相对不全。
4.在照明系统设计保证波段范围能够覆盖不同工艺需求的前提下，如何减小出射光束数值孔径、简化结构、降低成像系统匹配设计难度、满足工艺覆盖、提高光刻效果是目前直写光刻设备领域亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的目的在于提出一种无掩模直写光刻设备的双波段照明系统，所述双波段照明系统具有结构简单、匹配成像系统设计难度较低，工艺覆盖面较广的优点。
6.根据本实用新型实施例的无掩模直写光刻设备的双波段照明系统，包括：第一光源、第一光棒、第二光源、第二光棒、第一透镜组、第二透镜组、光阑、适用于耦合光线的耦合透镜、第三透镜组和数字微镜器件；所述第一光棒设于所述第一光源的光线传输路径上，所述第一光棒用于多次全反射形成均匀照明光束；所述第二光棒设于所述第二光源的光线传输路径上，所述第二光棒为锥形光棒，所述第二光棒朝向所述第二光源的端面面积小于所述第二光棒背离所述第二光源的端面面积，所述第二光棒用于减少第二光源光束数值孔径并形成均匀照明光束；所述第一透镜组设于所述第一光源的光线传输路径上，且设于所述第一光棒远离所述第一光源的一侧；所述第二透镜组设于所述第二光源的光线传输路径上，且设于所述第二光棒远离所述第二光源的一侧，所述第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴垂直；所述耦合透镜耦合所述第一光源发出的光线和所述第二光源发出的光线至第三透镜组上；所述第三透镜组设于所述耦合透镜的光线传输路径上，且所述第三透镜组适用于传递由所述第一光源和所述第二光源经耦合透镜耦合过的光线；所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组适用于将光束整形得到较小发散角的出射光以汇聚到所述数字微镜器件上，所述数字微镜器件设于所述第三透镜组的一侧，且所述数字透镜器件设于所述第三透镜组背离所述耦合透镜的一侧；其中，所述第二透镜组与所述耦合透镜之间设有光阑，所述光阑适用于调整所述第二光源发出光线的数值孔径，从而调节所述第一光源
与所述第二光源的输出光束的比例。
7.在一些实施例中，第一透镜组包括多个透镜镜片且至少包含第一透镜镜片和第二透镜镜片，所述第一透镜镜片和第二透镜镜片沿所述第一光源的光轴方向间隔设置。
8.在一些实施例中，所述第一透镜镜片为平凸透镜，所述第二透镜镜片为双凸透镜。
9.在一些实施例中，第一透镜组包括第一透镜镜片、第二透镜镜片、第三透镜镜片，所述第一透镜镜片、第二透镜镜片、第三透镜镜片沿所述第一光源的光轴方向间隔设置，所述第一透镜组包含三片镜片，主要作用是，准直经光棒匀光后的光束，优选地，所述的第一透镜为平凸透镜；所述第二透镜为弯月正透镜；所述第三透镜为平凸透镜。
10.在一些实施例中，所述第二透镜组包括多个透镜镜片且至少包括第四透镜镜片、第五透镜镜片和第六透镜镜片，所述第二透镜组的镜片组成与所述第一透镜组的镜片组成相同。
11.在一些实施例中，所述第三透镜组包括多个透镜镜片且至少包括第七透镜镜片、第八透镜镜片和第九透镜镜片，所述第七透镜镜片、所述第八透镜镜片和所述第九透镜镜片沿光轴传输路径依次设置，所述七透镜为弯月正透镜；所述第八透镜为弯月正透镜；所述第九透镜为平凸透镜。在一些实施例中，无掩模直写光刻设备的双波段照明系统还包括第一保护玻璃和第二保护玻璃，所述第一保护玻璃位于所述第一光棒与第一透镜组之间，所述第二保护玻璃位于所述第二光棒与所述第二透镜组之间所述第一保护玻璃与所述第二保护玻璃的材质与尺寸均相同。
12.根据本实用新型实施例的无掩模直写光刻设备的双波段照明系统，通过设有第一光源和第二光源发出光线，并使其在耦合透镜上进行耦合后传递，使得耦合后的光线具有两种光线的性能，从而使得直写光刻设备的工艺覆盖面更广，可以兼顾产品的工艺需求，提高防焊产品光泽度。同时，在双波段照明系统内还设有光阑，使得进行耦合的两种光线的比例能够进行调整，能有效降低成像系统匹配设计难度，满足高成像质量、高光刻生产效率要求。且双波段照明系统尺寸小，集成度高，使得双波段照明系统的适用性更高，从而提升双波段照明系统的市场竞争力。
13.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
14.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
15.图1是本实用新型实施例1的双波段照明系统的结构示意图；
16.图2是本实用新型实施例2的双波段照明系统的结构示意图；
17.图3是本实用新型实施例1的双波段照明系统的非相干照度图；
18.图4是本实用新型实施例2的双波段照明系统的非相干照度图。
19.附图标记：
20.双波段照明系统10，
21.第一光源100，第一光棒200，第二光源300，
22.第二光棒400，
23.第一透镜组500，第一透镜镜片510，第二透镜镜片520，第三透镜镜片530，
24.第二透镜组600，第四透镜镜片610，第五透镜镜片620，第六透镜镜片630，
25.耦合透镜700，
26.第三透镜组800，第七透镜镜片810，第八透镜镜片820，第九透镜镜片830，
27.数字微镜器件900，
28.第一保护玻璃101，第二保护玻璃102，光阑103。
具体实施方式
29.下面详细描述本实用新型的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本实用新型的实施例。
30.下面参考图1
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图4描述，根据本实用新型实施例的无掩模直写光刻设备的双波段照明系统10，包括：第一光源100、第一光棒200、第二光源300、第二光棒400、第一透镜组500、第二透镜组600、光阑103、适用于耦合光线的耦合透镜700、第三透镜组800、数字微镜器件900、第一保护玻璃101和第二保护玻璃102。
31.具体来说，第一光源100为ld光源，第一光源100的波峰为400nm
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405nm；第一光棒200为矩形光棒，第一光棒200设于第一光源100的光线传输路径上；第二光源300是波峰为360nm
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365nmled光源，第二光棒400为锥形光棒，第二光棒400设于第二光源300的光线传输路径上，第二光棒400朝向第二光源300的端面面积小于第二光棒400背离第二光源300的端面面积；第一透镜组500设于第一光源100的光线传输路径上且设于第一光棒200远离第一光源100的一侧；第二透镜组600设于第二光源300的光线传输路径上且设于第二光棒400远离第二光源300的一侧，第一透镜组500的光轴与第二透镜组600的光轴垂直；耦合透镜700设于第一光源100和第二光源300的光轴交点上，耦合透镜700耦合第一光源100发出的光线和第二光源300发出的光线；第三透镜组800设于耦合透镜700的光线传输路径上，且第三透镜组800适用于传递第一光源100和第二光源300耦合过的光线；数字微镜器件900设于第三透镜组800的一侧，且数字透镜器件设于第三透镜组800背离耦合透镜700的一侧；其中，第一透镜组500与耦合透镜700之间设有光阑103，光阑103适用于调整第一光源100发出光线的孔径数值，从而调节第一光源100与第二光源300的输出光束的比例。
32.可以理解的是，第一光源100适用于发出波峰为400nm
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405nm的光线，用于提供高功率曝光能量；而第二光源300使用于发出波峰为360nm
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365nm的光线，用于提高防焊产品的光泽度、满足工艺覆盖要求；两个光源的光线在耦合透镜700处进行耦合以形成具有二者波峰的光线，且耦合透镜700能够整理合并光线后让光线沿着所需方向进行延伸，从而传递到数字微镜器件900上经过曝光引擎投影实现图形转移。
33.同时，第一光棒200为矩形光棒，在具体的实施例中，第一光棒200使第一光源100所发出的光线能够发生多次全反射以形成均匀的照明光束。如此一来，第一光棒200可以是矩形石英棒，也可以是矩形石英管。不仅如此，第二光棒400为锥形光棒，且朝向第二光源300的端面面积小于第二光棒400背离第二光源300的端面面积，使得第二光源300所发出的光线能够在第二光棒400内发生全反射形成均匀照明光束，并减小光线发散角。从而可以减少第二光源300所对应的第二透镜组600的透镜数量，使得双波段照明系统10的结构更为紧凑，集成度得到提升。第二光棒400可以是锥形石英棒，也可以是锥形石英管。
34.此外，需要说明的是，第一光源100所发出的光线的波峰为400nm
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405nm，发散角小，光源的能量较为稳定，从而让第一光源100的成像设计更为简单，第二光源300所发出的光线的波峰为360nm
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365nm，可以提高防焊产品的光泽度，满足产品的工艺要求。
35.不仅如此，在双波段照明系统10内还设有光阑103，调整光阑103的大小以减小第二光源300照明光斑在数字微镜上的数值孔径，能有效降低成像系统匹配设计难度，满足高成像质量、高光刻生产效率要求。
36.在一些实施例中，无掩模直写光刻设备的双波段照明系统10还可以包括第一保护玻璃101和第二保护玻璃102，第一保护玻璃101位于第一光棒200与第一透镜组500之间，第二保护玻璃102位于第二光棒400与第二透镜组600之间。在一些实施例中，第一保护玻璃101与第二保护玻璃102的材质与尺寸均相同。这样，不仅可以简化第一保护玻璃101和第二保护玻璃102的生产设计，而且可以降低第一保护玻璃101和第二保护玻璃102的生产成本，使得双波段照明系统10的市场竞争力得到提升。
37.在本技术的实施例中，第三透镜组800包括多个透镜镜片且至少包括第七透镜镜片810、第八透镜镜片820和第九透镜镜片830，第七透镜镜片810、第八透镜镜片820和第九透镜镜片830沿光轴传输路径依次设置。第七透镜镜片810为弯月正透镜；第八透镜镜片820平凸透镜；第九透镜镜片830凸平透镜。可以理解的是，第三透镜组800适用于将光线传递到数字微镜器件900上，在光线传递的过程中，第三透镜组800内设有的多个透镜片将光线放大，形成具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明光斑于数字微镜器件900上。
38.本实用新型例举两个实施例，因双波段照明系统10的设计原理，各部分组成除第一透镜组500和第二透镜组600的镜片组成不同，其他基本一致，故下面将分别详细说明第一透镜组500和第二透镜组600包含的透镜类型及设计方法。
39.具体来说；在实施例1中，第一透镜组500包括第一透镜镜片510、第二透镜镜片520、第三透镜镜片530，第一透镜镜片510、第二透镜镜片520、第三透镜镜片530沿第一光源100的光轴方向间隔设置，第一透镜镜片510靠近第一光源100设置，第二透镜镜片520设于第一透镜镜片510的一侧且远离第一光源100设置，第三透镜镜片530设于第二透镜镜片520的一侧且远离第一光源100的一侧，第一透镜组500适用于准直第一光源100所发出的光束，在实施例1中，第一透镜镜片510为平凸透镜，第二透镜镜片520为弯月正透镜，第三透镜镜片530为平凸透镜。可以理解的是，上述第一透镜镜片510至第三透镜镜片530的设置方式仅为在本实施例中的优选实施例，
40.在实施例1中，第二透镜组600包括多个透镜镜片且至少包括第四透镜镜片610、第五透镜镜片620和第六透镜镜片630，第二透镜组600的镜片与第一透镜组500的镜片相同。可以理解的是，为了提升生产效率，降低生产成本，可以让第一光棒200和第二光棒400背离光源一侧的端面面积相同，这样使得第一光棒200和第二光棒400所传递的光线的物高一致，从而在设计时通过控制曲率半径，厚度等让第一透镜组500和第二透镜组600的镜片一致。
41.在实施例2中，由于第一透镜组500与第二透镜组600所对应光源的数值孔径不同，ld光源100的数值孔径较小，可以减少第一透镜组500的透镜数量。以使第一透镜组500和第二透镜组600能够更好的对应进行光线的传导和适配。在设计双波段照明系统10时，运用多重组态控制不同的物高及不同的倍率，将第一透镜组500的第一透镜镜片510和第二透镜组
600的第四透镜镜片610的曲率设为跟随优化，目的是为了保证第一透镜镜片510及第四透镜镜片610的一致性；第一透镜组500的第二透镜镜片520和第二透镜组600的第五透镜镜片620、第六透镜镜片630的曲率及距离设为变量优化，目的是为了匹配ld照明和led照明的不同倍率；第三透镜组800所有透镜曲率及距离设为跟随优化，目的是使ld照明系统和led照明系统可以共用第三透镜组800。该设计方式，使ld照明系统与led照明系统有一片透镜一样，且ld系统比led系统减少一片透镜，可以有效降低成本。
42.在实施例2中，第一透镜组500包括但不限于以下组成：第一透镜镜片510为平凸透镜，第二透镜镜片520为双凸透镜。可以理解的是，由于使用多重组态设计双波段照明系统10，使得第一透镜组500的镜片数量得到减少，从而起到有效降低成本。
43.第二透镜组600包括但不限于以下组成：第四透镜镜片610为平凸透镜；第五透镜镜片620为双凸透镜；第六透镜镜片630为弯月正透镜。在实施例2中设置与实施例1中第二透镜组600的设置方法类似，本领域技术人员能够通过阅读实施例1联想到实施例2中第二透镜组600的效果，在此不做赘述。
44.可以理解的是，在本技术中提到的无掩模直写光刻设备，在使用过程中，由于第一透镜组500的透镜镜片数量不同以及透镜的结构设计不同，使得照明系统共轭距、均匀度也不尽相同，从而对产品的使用性能产生一定的影响，如图3和图4所示，图3为第一透镜组500为三个透镜镜片的非相干照度图，在本实施例的情况下，第一透镜组500的透镜镜片与第二透镜的透镜镜片的设置情况与数量相同，图4为第一透镜组500为两个透镜镜片的非相干照度图，在本实施例的情况下，第一透镜组500的透镜镜片数量为两个而第二透镜组600的透镜镜片数量为三个。
45.根据本实用新型实施例的无掩模直写光刻设备，无掩模直写光刻设备适用于集成电路的生产制造，且无掩模直写光刻设备包括：如上所示的无掩模直写光刻设备的双波段照明系统10。这样，通过设有第一光源100和第二光源300发出光线，并使其在耦合透镜700上进行耦合后传递，使得耦合后的光线具有两种光线的性能，从而使得直写光刻设备的工艺覆盖面更广，可以兼顾产品的工艺需求，提高防焊产品光泽度。同时，在双波段照明系统10内还设有光阑710，使得进行耦合的两种光线的比例能够进行调整，能有效降低成像系统匹配设计难度，满足高成像质量、高光刻生产效率要求。且双波段照明系统10尺寸小，集成度高，使得双波段照明系统10的适用性更高，提升了双波段照明系统10的市场竞争力且双波段照明系统10在进行生产时的工艺覆盖面更为广阔。
46.根据本实用新型实施例的无掩模直写光刻设备的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
48.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。