一种无掩膜光学双面光刻装置

1.本发明涉及光学技术领域，尤其是一种无掩膜光学双面光刻装置。


背景技术：

2.光刻装置是一种光学曝光系统，由光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体器件的制作工艺中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路。掩膜版需要与光刻胶接触，因此容易损坏，导致光刻图形良品率下降。但若避免掩膜版与光刻胶接触则会产生明显的衍射效应导致图像变形。为了能够获得不变形的图像，出现了x射线光刻技术，因为x射线的波长很短，光线通过掩膜后的衍射和散射效应很弱，在光刻设备中极具竞争力。但x射线光刻设备造价昂贵，限制了它的发展。比较热门的光刻技术还有极短紫外光刻技术，它的曝光光源是波长为十几纳米的紫外光，图形分辨精度很高，在当前微电子集成电路生产中应用广泛，但极短紫外光刻装置制备复杂，造价较高，难以投入运用到小型科研、测试中。光刻中较大范围的图样往往需要通过光刻来制作，也就是需要多次曝光，每一次曝光的图形需要使用不同的掩膜版，在每一次曝光前都需要和已经曝光的图形进行精确对准，以保证各次曝光图形出现的位置是正确的。掩膜版在曝光时容易受热变形，放置时未完全对准也会造成一定程度的光刻误差，为了避免掩膜版所产生的光刻误差，减少生产上的困难，降低成本，出现了无掩膜光刻技术。以往的无掩膜光刻技术需要逐个像素点依次进行光刻，效率很低，不适合于较大面积的光刻。曝光设备装置复杂，操作困难，成本高且难以维护。
3.综上所述，现有的高精度大面积光刻设备造价昂贵、需在超净环境中使用，对环境要求苛刻,难以满足中小科研单位的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种无掩膜光学双面光刻装置，本发明采用图像光路系统、成像光路系统、基片承载系统及光刻电子系统；本发明通过计算机控制lcd控制器以控制液晶显示lcd模组的信号传输，将计算机生成的任意图样投射到涂有光刻胶的基片表面，完成无掩膜版曝光及光刻；本发明采用两套成像光路系统，且两套成像光路系统相对于基片承载系统真空吸盘上的基片呈镜像设置，实现无掩膜多尺度光刻和双面光刻的功能。本发明可用于在基片双面制作图形，现有双面光刻装置对基片需一个面及另一个面分两次加工，导致精度低、效率低。本发明有效解决了现有技术中制作压力传感器及背面引线的离子敏感器件需双面精细加工的难题，本发明具有占用空间小、操控简便、定位准确、可以双面同时光刻、及制作成本低的优点，为中小科研单位应用光刻技术提供了新思路。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：本发明包括图像光路系统、成像光路系统、基片承载系统及光刻电子系统；
所述图像光路系统由高压汞灯光源、带通二向色镜、第三反射镜、液晶显示lcd模组、第一反射镜、第一胶合透镜及第二反射镜构成，且高压汞灯光源、带通二向色镜、第三反射镜、液晶显示lcd模组、第一反射镜、第一胶合透镜及第二反射镜依次光路连接；所述成像光路系统由第一分束镜、第三胶合透镜、第二分束镜、高通滤光镜、计时光阑、第二胶合透镜、写场透镜组、第四反射镜、照明光源及光学镜架构成，所述照明光源、第三胶合透镜、第一分束镜及第二分束镜依次光路连接；所述第二分束镜将光路分为两路，一路与计时光阑、第二胶合透镜及写场透镜组依次光路连接，另一路与第四反射镜光路连接；所述第二分束镜、高通滤光镜、计时光阑、第二胶合透镜及写场透镜组均置于光学镜架上；所述基片承载系统由三维中空电动平移台及真空吸盘构成，所述真空吸盘设于三维中空电动平移台上；所述光刻电子系统由计算机、第一ccd检测仪、第二ccd检测仪、lcd控制器及步进电机控制器构成；所述计算机分别与第一ccd检测仪、第二ccd检测仪、lcd控制器及步进电机控制器数据线连接；所述成像光路系统为两套，且两套成像光路系统相对于基片承载系统呈镜像设置；两套成像光路系统内的第四反射镜互为光路连接；所述图像光路系统的第二反射镜与成像光路系统的第一分束镜光路连接；所述光刻电子系统的lcd控制器与图像光路系统的液晶显示lcd模组数据线连接；光刻电子系统的步进电机控制器与基片承载系统的三维中空电动平移台数据线连接；所述光刻电子系统的第一ccd检测仪、第二ccd检测仪分别与两套成像光路系统内的第一分束镜光路连接；所述光刻电子系统的计算机分别与两套成像光路系统内的计时光阑数据线连接。
6.本发明通过计算机控制lcd控制器以控制液晶显示lcd模组的信号传输，将计算机生成的任意图样投射到涂有光刻胶的基片表面，完成无掩膜版曝光及光刻；本发明采用两套成像光路系统，且两套成像光路系统相对于基片承载系统真空吸盘上的基片呈镜像设置，实现无掩膜多尺度光刻和双面光刻的功能。通过计算机控制计时光阑以控制曝光时长；通过计算机控制步进电机控制器，以控制三维中空电动平移台的运行，通过第一ccd检测仪、第二ccd检测仪将图像传回计算机，在计算机屏幕上观察到基片两个表面光场的实时情况，同时可以用image view软件进行距离、角度测量及检测的操作。
7.本发明无需掩膜版能够实现精度达到1微米，写场范围涵盖70微米到4英寸任意图样的多尺度和双面光刻装置。
8.本发明可以低成本实现无掩膜多尺度光刻和双面光刻功能。其中多尺度光刻通过可编程的三维中空电动平移台及切换写场透镜组透镜的标定实现。
9.本发明可用于在基片双面制作图形，现有双面光刻装置对基片需一个面及另一个面分两次加工，导致精度低、效率低。本发明有效解决了现有技术中制作压力传感器及背面引线的离子敏感器件需双面精细加工的难题，本发明具有占用空间小、操控简便及制作成本低的优点，为中小科研单位应用光刻技术提供了新思路。
附图说明
10.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明图像光路系统的结构示意图；图3为本发明成像光路系统及基片承载系统的结构示意图；图4为本发明光刻电子系统的结构示意图；图5为本发明对基片进行单面光刻的使用状态示意图；图6为本发明对基片进行双面光刻的使用状态示意图。
具体实施方式
11.参阅图1，本发明包括图像光路系统1、成像光路系统2、基片承载系统3及光刻电子系统4。
12.参阅图1、图2，所述图像光路系统1由高压汞灯光源101、带通二向色镜102、第三反射镜103、液晶显示lcd模组104、第一反射镜105、第一胶合透镜106及第二反射镜107构成，且高压汞灯光源101、带通二向色镜102、第三反射镜103、液晶显示lcd模组104、第一反射镜105、第一胶合透镜106及第二反射镜107依次光路连接。
13.参阅图1、图3， 所述成像光路系统2由第一分束镜201、第三胶合透镜202、第二分束镜203、高通滤光镜204、计时光阑205、第二胶合透镜206、写场透镜组207、第四反射镜208、照明光源209及光学镜架210构成，所述照明光源209、第三胶合透镜202、第一分束镜201及第二分束镜203依次光路连接；所述第二分束镜203将光路分为两路，一路与计时光阑205、第二胶合透镜206及写场透镜组207依次光路连接，另一路与第四反射镜208光路连接；所述第二分束镜203、高通滤光镜204、计时光阑205、第二胶合透镜206及写场透镜组207均置于光学镜架210上。
14.参阅图1、图3，所述基片承载系统3由三维中空电动平移台501及真空吸盘502构成，所述真空吸盘502设于三维中空电动平移台501上。
15.参阅图1、图4，所述光刻电子系统4由计算机401、第一ccd检测仪402、第二ccd检测仪403、lcd控制器404及步进电机控制器405构成；所述计算机401分别与第一ccd检测仪402、第二ccd检测仪403、lcd控制器404及步进电机控制器405数据线连接。
16.参阅图1、图2、图3、图4，所述成像光路系统2为两套，且两套成像光路系统2相对于基片承载系统3呈镜像设置；两套成像光路系统2内的第四反射镜208互为光路连接；所述图像光路系统1的第二反射镜107与成像光路系统2的第一分束镜201光路连接；所述光刻电子系统4的lcd控制器404与图像光路系统1的液晶显示lcd模组104数据线连接；光刻电子系统4的步进电机控制器405与基片承载系统3的三维中空电动平移台501数据线连接；所述光刻电子系统4的第一ccd检测仪402与一套成像光路系统2内的第一分束镜201光路连接，第二ccd检测仪403与另一套成像光路系统2内的第一分束镜201光路连接；所述光刻电子系统4的计算机401分别与两套成像光路系统2内的计时光阑205数
据线连接。
17.本发明的工作过程：a)、图像光路系统生成输出光图像：参阅图1、图2、图4，图像光路系统1由高压汞灯光源101发出的光通过带通二向色镜102选定了波长，形成选定波长的光，选定波长的光经第三反射镜103传输至液晶显示lcd模组104，此时，光刻电子系统4的计算机401依据选定波长的光进行单色图像输出，并由液晶显示lcd模组104调制生成输出光图像，输出光图像经过第一反射镜105、第一胶合透镜106及第二反射镜107进入到成像光路系统2。
18.b)、成像光路系统完成基片成像：参阅图1、图3、图4，成像光路系统2将来自图像光路系统1的输出光图像经过第一分束镜201反射至第二分束镜203、高通滤光镜204、计时光阑205、第二胶合透镜206及写场透镜组207进行一定倍率的缩小生成基片成像。
19.c)、基片承载系统完成基片成像与基片的聚焦：参阅图1、图3、图4，在基片承载系统3的真空吸盘502上设置涂有光刻胶的基片，通过计算机401控制步进电机控制器405驱动三维中空电动平移台501移动真空吸盘502，使基片成像与真空吸盘502上的基片聚焦。
20.d)、成像光路系统完成基片照明：参阅图1、图3、图4，成像光路系统2将照明光源209通过第三胶合透镜202、第一分束镜201及第二分束镜203、高通滤光镜204、计时光阑205、第二胶合透镜206、写场透镜组207会聚到真空吸盘502上的基片表面用来照明基片。
21.e)、光刻电子系统完成基片图像的光刻及检测：参阅图1、图3、图4，基片聚焦完成后，由光刻电子系统4的计算机401控制成像光路系统2内的计时光阑205进行曝光，曝光时，将高通滤光镜204脱离，打开计时光阑205进行曝光，通过计算机401控制计时光阑205以控制曝光时长，最终完成基片图像的光刻；期间，基片图像由第一ccd检测仪402、第二ccd检测仪403将图像传回计算机401，在计算机401屏幕上观察到基片两个表面光场的实时情况，同时可以用image view软件进行距离、角度测量等检测操作。通过计算机401控制lcd控制器404以控制液晶显示lcd模组104的信号传输；通过计算机401控制步进电机控制器405，以控制三维中空电动平移台501的运行。
22.参阅图1、图3、图4，本发明成像光路系统2为两套，且两套成像光路系统2相对于基片承载系统3真空吸盘502上的基片呈镜像设置；为保证照射于基片正反两面的光强一致，第二分束镜203采用透过率为66%的分束镜，其余分束镜采用透过率为50%的分束镜。
23.参阅图1、图3、图4，由于两套成像光路系统2内的第四反射镜208互为光路连接，为此，本发明可同时完成对基片的双面光刻，其光刻过程与单面光刻相同。
24.本发明采用成像光路系统2将来自图像光路系统1的输出光图像生成基片成像，所以在整个光刻过程步骤中都不需要使用掩膜版。
25.为提高本发明的精度，本发明将第二分束镜203、高通滤光镜204、计时光阑205、第二胶合透镜206及写场透镜组207集成于光学镜架210上，利于光路的精确与稳定。
26.本发明的写场透镜组207上能够转换不同的写场透镜，便于生成不同倍率的基片成像，使得光刻写场的尺度范围能够在70um至4英寸之间连续调节。
27.实施例1参阅图1、图5，以本发明对基片进行单面光刻为例，此时，只需一套成像光路系统2工作。
28.在基片承载系统3三维中空电动平移台501的真空吸盘502上设置单面涂有光刻胶的基片，光刻前，首先将写场透镜组207内透镜所投尺寸与计算机401图像处理软件中的尺寸进行定标，确定其比例关系，然后在第一ccd检测仪402视野里确定基片上的形状定位物标点。接着在计算机401图像处理软件中画好写场透镜组207内写场较小一级透镜的曝光图像，打开计时光阑205，进行写场较小一级透镜曝光。
29.由于在透镜前设置了高通滤光镜204，在高通滤光镜204的保护下，选用较大一级写场透镜，输出曝光图像，并在ccd检测仪402中观察定位。
30.微调三维中空电动平移台501的位置使两级光刻衔接、对准良好，可以进行光刻，此时，再脱离高通滤光镜204，打开计时光阑205进行曝光，光刻结束后进行显影等常规光刻步骤即可在基片上显出所需的图形。
31.实施例2参阅图1、图6，以本发明对基片进行双面套刻为例，此时，两套相对于基片承载系统3呈镜像设置成像光路系统2同时工作；两套成像光路系统2内的第四反射镜208互为光路连接；在基片承载系统3三维中空电动平移台501上设置将半透明薄片，确保两束光斑重合后脱离，保证双面套刻的校准。
32.校准后，在真空吸盘502上设置双面涂有光刻胶的基片，光刻前，首先将写场透镜组207内透镜所投尺寸与计算机401图像处理软件中的尺寸进行定标，确定其比例关系，然后在第一ccd检测仪402及第二ccd检测仪403视野里确定基片上的形状定位物标点，确保两面光刻图像对准，接着在计算机401图像处理软件中画好写场透镜组207内写场较小一级透镜的曝光图像，打开计时光阑205，进行写场较小一级透镜曝光。由于在透镜前设置了高通滤光镜204，在高通滤光镜204的保护下，选用较大一级写场透镜，输出曝光图像，并通过ccd检测仪402中观察定位。
33.本发明通过微调三维中空电动平移台501的位置使两级光刻衔接、对准良好，可以进行光刻，此时，再脱离高通滤光镜204，打开计时光阑205进行曝光，光刻结束后进行显影等常规光刻步骤即可在基片上显出所需的图形。
34.综上所述，本装置能够实现无掩膜的光学多尺度与双面光刻。另外，本装置相对现有光刻和电子束系统刻蚀成本极低，并且曝光范围大，实用价值较大，生产效率较高。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，不仅仅局限于此，对于本熟悉本领域的技术人员来说，在根据本发明技术方案的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应在本发明的保护范围中。