通过改变扩束比例实现跨尺度光刻或多分辨率成像的方法

摘要

一种通过改变扩束比例实现跨尺度光刻或多分辨率成像的方法，通过将单光束点扫描光刻或者成像系统中的扩束镜替换为电动可调倍率扩束镜，进而根据相关计算公式，调节扩束比例来实现聚焦光斑直径的连续可调。本发明可以在单光束点扫描光刻或者成像系统中提供直径连续可调的光斑，快速、简便地实现跨尺度的光刻和多分辨率光学成像。

说明书

技术领域

本发明涉及光刻和光学成像,特别是一种通过改变扩束比例实现跨尺度光刻或多分辨率成像的方法。

背景技术

激光光刻和光学成像是集成电路和微光学元器件制造和生物生命医学的核心技术，基于点扫描的光刻或者成像系统将入射平行光聚焦成衍射极限大小的光斑，通过光斑扫描完成刻写或光学成像，所以其刻写尺寸或光学成像分辨率由聚焦光斑的尺寸所决定。由于集成电路和微光学元器件上存在不同的线宽，实际制作时，需要更换透镜获得不同尺寸的聚焦光斑，利用图形拼接技术进行分布刻写，过程中在更换透镜时，由于更换透镜后平台移动都要从起点开始再次移动一遍，多个周期后才能完成刻写，从而会带来对准误差，最终会使不同大小线宽之间的链接出现问题。

波带片和光子筛在X射线、极紫外成像和聚焦领域都具有重要运用，但其制作时尺寸分布在纳米级到微米级范围内，运用传统工艺就会出现前面所描述的对准误差问题；芯片的制造更是推动着信息技术的发展，但是制造过程中也面临以上问题。所以急需发展一种无掩模激光光刻技术和激光扫描成像技术，在不更换透镜的前提下，只移动平台一个周期就能完成跨越微米级到纳米尺度的光刻与光学成像。

光束入射到透镜入瞳时，聚焦光斑在焦面处的直径可以用以下公式进行计算：

其中,λ表示激光波长，NA＝nsinθ表示系统的数值孔径大小，n为透镜与样品间介质的折射率(一般为空气n＝1)，θ则为聚光光斑中心到出瞳光束直径两顶点连线角度的一半。当光束入射充满透镜入瞳时，出射也充满出瞳，此时θ为最大，所以NA也为最大，形成的聚焦光斑直径最小；逐渐将光束直径减小到小于透镜入瞳直径时，出射光束不能充满出瞳，使θ变小，从而使NA增小，此时获得的聚焦光斑直径增大；之后再减小入射光束直径时，聚焦光斑直径进一步增大。通过以上方法，可以通过调节入射光束的直径来改变焦平面上聚焦光斑的直径，从而实现单次完成跨越微米级到纳米尺度的光刻。

这里需要说明的是，因为只是改变入射光束的直径，只有聚焦光斑直径随之变化，焦平面的位置并没有发生变化，而且几种常见的像差也不会对聚焦光斑产生影响，聚焦光斑虽然直径发生变化，但强度分布仍然是高斯分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过改变扩束比例来进行跨尺度光刻或多分辨率成像的方法。该方法可以在单光束点扫描光刻或者成像系统中提供直径连续可调的光斑，快速、简便地实现跨尺度的光刻或多分辨率光学成像。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种通过改变扩束比例来进行跨尺度光刻或多分辨率成像的方法，该方法适用于单光束点扫描光刻或者成像系统,该系统沿入射光路方向依次包括光阑、扩束镜、二分之一波片、分光镜、偏振分光镜、四分之一波片和物镜，其步骤包括：

1)用电动可调倍率扩束镜代替所述的扩束镜，其倍率从1倍到64倍连续可调；

2)调节所述的电动可调倍率扩束镜的倍率至m倍，使扩束后的光束与所述的物镜入瞳的直径相同；

3)根据公式D＝1.22λ/NA，计算当光束充满物镜入瞳时系统中光束经过所述的物镜后聚焦光斑的直径D，其中λ为入射光束的波长；NA＝n×sinθ为所述的物镜的数值孔径；n为焦平面与物镜之间介质的折射率，θ＝tan^-1(D_出/2f)是聚光光斑中心到物镜出瞳光束直径两顶点连线角度的一半，也称孔径角，f为物镜的焦距，D_出是光束经过物镜出瞳的有效直径；

4)根据实时需要刻写的尺寸或成像的分辨率D₂，通过下式计算此时对应的孔径角θ₂：

D₂/D＝sinθ/sinθ₂；

5)按下式计算此时需要改变扩束的比例N：

θ₂＝tan^-1(D_出2/2f)，N＝D_出/D_出2，D_出2为对应改变扩束镜倍率N后的有效直径；

6)将电动可调倍率扩束镜的扩束倍率调节至m/N倍，此时就能刻写出需要的尺寸或实现成像分辨率；

7)根据刻写参数或者成像分辨率改变的要求，返回步骤4)，实时地调节电动可调倍率扩束镜的扩束倍率，实现跨尺度光刻与多分辨率光学成像。

本发明的技术效果如下：

本发明在单光束点扫描光刻或者成像系统中，利用入射光扩束倍率和聚焦光斑尺寸的关系，通过在光刻或成像中控制扩束倍率,能实现跨尺度光刻或多分辨率成像。其优点是：

1)操作简单，只需要在原扫描系统中将原来的扩束镜替换为可调倍率扩束镜。

2)光斑尺寸连续可调，在跨尺度刻写中精度高、速度快，可以一次性刻写不同尺寸的结构。

3)可以在多种分辨率成像之间快速完成切换。

附图说明

图1是本发明单光束点扫描光刻或者成像系统光路示意图

图2是本发明聚焦光斑变化原理示意图

图3是本发明聚焦光斑变化测试图

图中：1-激光光源，2-入射光束，3-光阑，4-电动可调倍率扩束镜，5-扩束后的光束，6-二分之一玻片，7-分光镜，8-探测器，9-偏振分光镜，10-四分之一玻片，11-物镜，12-聚焦光斑，13-移动平台，14-反射光束，15-透镜，16-针孔，17-探测器，18-电脑。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

本发明通过改变扩束比例实现跨尺度光刻或多分辨率成像的方法，单光束点扫描光刻或者成像系统沿光路输出方向依次包括光阑2、扩束镜、二分之一波片6、分光镜7、偏振分光镜9、四分之一波片10和物镜11，其步骤包括：

1)用电动可调倍率扩束镜4代替所述的扩束镜，其倍率从1倍到64倍连续可调；

2)调节电动可调倍率扩束镜4的倍率至m倍，使扩束后的光束5与所述的物镜11入瞳的直径相同；

3)根据公式D＝1.22λ/NA，计算当光束充满物镜11入瞳时系统中光束5经过物镜11后聚焦光斑12的直径D，其中λ为入射光束2的波长；NA＝n×sinθ为所述的物镜11的数值孔径；n为焦平面与物镜11之间介质的折射率，θ＝tan^-1(D_出/2f)是聚光光斑12中心到物镜11出瞳光束直径两顶点连线角度的一半，也称孔径角，f为物镜的焦距，D_出是光束经过物镜出瞳的有效直径；

4)根据实时需要刻写的尺寸或成像的分辨率D₂，通过下式计算此时对应的孔径角θ₂：

D₂/D＝sinθ/sinθ₂；

5)按下式计算此时需要改变扩束的比例N：

θ₂＝tan^-1(D_出2/2f)，N＝D_出/D_出2，D_出2为对应改变扩束镜倍率N后的有效直径；

6)将电动可调倍率扩束镜4的扩束倍率调节至m/N倍，此时就能刻写出需要的尺寸或实现成像分辨率；

7)根据刻写参数或者成像分辨率改变的要求，返回步骤4)，实时地调节电动可调倍率扩束镜的扩束倍率，实现跨尺度光刻与多分辨率光学成像。

实施例中，入射光束2波长为638nm，调节电动可调倍率扩束镜4的倍率为5倍，使扩束光束5的直径刚好和物镜11的(NA＝0.25)入瞳直径(10mm)相同，计算获得此时聚焦光斑的直径D约为3.1μm。

当需要刻写的尺寸或成像的分辨率D₂为4mm时，则利用公式：D₂/D＝sinθ/sinθ₂，计算此时对应的孔径角θ₂约为11.17°(n＝1)。继续利用公式：θ₂＝tan^-1(D_出2/2f)和N＝D_出/D_出2，计算此时对应需要改变扩束的比例N约为1.3(f＝16mm)。所以将电动可调倍率扩束镜4的倍率调节至3.8倍，用光斑分析仪测得聚焦光斑12的尺寸如图3(a)所示，测得直径约为4.2μm，比理论计算值略大，主要是因为光斑探测器探测存在一定的误差。

当需要刻写的尺寸或成像的分辨率D₂变为7.5mm时，则利用公式：D₂/D＝sinθ/sinθ₂，计算此时对应的孔径角θ₂约为5.93°(n＝1)。继续利用公式：θ₂＝tan^-1(D_出2/2f)和N＝D_出/D_出2，计算此时对应需要改变扩束的比例N约为2.5(f＝16mm)。所以将电动可调倍率扩束镜4的倍率调节至2倍，用光斑分析仪测得聚焦光斑12的尺寸如图3(b)所示，测得直径约为7.5μm，接近理论值。

改变电动可调倍率扩束镜4后，焦距不变。对于存在不同尺寸要求的光刻结构，原先需要更换物镜并且多次重复扫描才能完成刻写。有了本发明方法，在扫描刻写过程中，只要实时地改变聚焦光斑的尺寸即可实现多尺度的刻写。也可以在扫描成像系统中实时的改变聚焦光斑的尺寸来改变系统的分辨率。