阅读说明：本技术 大面积纳米光刻系统及其方法 (Large-area nano photoetching system and method thereof ) 是由 浦东林 陈林森 朱鹏飞 朱鸣 邵仁锦 于 2019-01-10 设计创作，主要内容包括：一种大面积纳米光刻系统,包括工件台、位置反馈系统、干涉光学系统和控制系统,工件台上设有待光刻的光刻基片；位置反馈系统用于测量和计算工件台的误差；干涉光学系统用于产生干涉曝光场,对光刻基片进行干涉光刻,干涉光学系统包括衍射光学器件；控制系统分别与该工件台、该位置反馈系统和该干涉光学系统电性连接；该控制系统控制该衍射光学器件的运动,用以补偿该工件台的误差。本发明的大面积纳米光刻系统能达到大面积纳米结构高精度制备。本发明还涉及一种大面积纳米光刻方法。(A large-area nano photoetching system comprises a workpiece table, a position feedback system, an interference optical system and a control system, wherein a photoetching substrate to be photoetched is arranged on the workpiece table; the position feedback system is used for measuring and calculating the error of the workpiece table; the interference optical system is used for generating an interference exposure field and carrying out interference photoetching on the photoetching substrate and comprises a diffraction optical device; the control system is electrically connected with the workpiece table, the position feedback system and the interference optical system respectively; the control system controls movement of the diffractive optical element to compensate for errors in the stage. The large-area nano photoetching system can achieve high-precision preparation of large-area nano structures. The invention also relates to a large-area nano-photoetching method.)

大面积纳米光刻系统及其方法

技术领域

本发明涉及干涉光刻技术领域，特别涉及一种大面积纳米光刻系统及其方法。

背景技术

纳米结构(nanostructure)通常是指尺寸在100nm以下的微小结构，更加广泛的可以指尺度在500nm以下的结构。纳米结构的图形化制备，当前技术手段主要如下：

电子束直写：是具有高分辨率，高灵活特性的纳米图形化加工技术，通常在科学研究情况下，纳米结构的可控图形化制备首选采用电子束直写光刻，然而，当前两大类电子束直写设备，高分辨率的高斯束直写设备，在毫米幅面的面积下需要数小时的制备时间，实际材料/器件应用能力差；高能变形束直写设备，当前主要应用于半导体掩模版制备，幅面在6-8英寸，在制备微米结构图形时需要数小时，纳米结构直写对于变形束依然是难题。

半导体套刻技术：当前半导体光刻通过Double Pattern、PSM、光刻胶非线性等技术，在硅片上已经达到10nm级别的技术节点，然而其高分辨率体现在关键层的特征上，与纳米材料/器件的密集结构特征需求不能很好匹配，另外，半导体套刻技术需要掩模版作为图形模板，图形设计和数据处理等配套技术都为半导体做优化，且仅支持8-12英寸幅面。

全息干涉光刻技术：是实现规则微纳米结构的便捷手段，传统全息干涉利用光学平台、激光器、低像差准直光学系统等条件，在光敏材料上一次或多次交叉曝光形成较大面积的微纳结构，通常结构为周期性或者啁啾结构，结构可设计性低，可以在DFB激光器等某些特定的领域应用。数字全息干涉技术是结合计算机图形处理、精密控制的一类干涉光刻技术，国内苏州大学、苏大维格在该领域积累了一系列关键技术，美国MIT也开发了扫描干涉光刻技术，数字全息干涉技术力图突破传统全息干涉的图形单一、幅面受限的问题，但是其数字技术带来的光场之间的拼接精度是其应用受限的关键问题。

其他纳米加工技术，如聚焦离子束(FIB)、探针直写(SPL)等，加工效率低，只能在微小区域进行图形化加工；如自组装技术，利用若干原子、离子、分子之间弱作用力，同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，局限是结构的可设计性差，不能成为通用型的纳米加工技术。

综上，对于大面积纳米结构的高精度图形化制备还没有适用性较好的解决方案，数字化全息干涉光刻技术，如能有效解决结构的微区调控和高精度拼接问题，将有极大的应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种大面积纳米光刻系统，能实现干涉光场之间的高进度拼接，达到大面积纳米结构高精度制备的目的。

一种大面积纳米光刻系统，包括工件台、位置反馈系统、干涉光学系统和控制系统，工件台上设有待光刻的光刻基片；位置反馈系统用于测量和计算工件台的误差；干涉光学系统用于产生干涉曝光场，对光刻基片进行干涉光刻，干涉光学系统包括衍射光学器件；控制系统分别与该工件台、该位置反馈系统和该干涉光学系统电性连接；该控制系统控制该衍射光学器件的运动，用以补偿该工件台的误差。

在本发明的实施例中，上述工件台的误差包括坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差,该控制系统控制该衍射光学器件沿垂直光轴方向平移，用以补偿工件台坐标定位误差；该控制系统控制该衍射光学器件绕着光轴旋转，用以补偿该工件台航向角误差；该控制系统控制该衍射光学器件沿着光轴的方向移动，用以补偿该工件台横摆角和/或俯仰角误差。

在本发明的实施例中，上述位置反馈系统包括光源、图像获取模块、基准光栅和二维光栅，该基准光栅设置在该工件台上，该基准光栅与该光刻基片固定设置，该二维光栅设置在该基准光栅的上方，该光源照明使该二维光栅与该基准光栅之间形成可识别的莫尔图案，该图像获取模块识别该莫尔图案，并将该莫尔图案的变化进行量化分析计算出该工件台的误差。

在本发明的实施例中，上述位置反馈系统还包括多块第一透镜和第一分光镜，该图像获取模块设置于该二维光栅的上方，该多块第一透镜设置于该图像获取模块与该二维光栅之间，该第一分光镜设置与该多块第一透镜之间，该光源设置于该第一分光镜的一侧，该光源发出的光通过该第一分光镜射向该二维光栅和该基准光栅。

在本发明的实施例中，上述位置反馈系统包括第一激光器、第一干涉测量模块、第二干涉测量模块和多块半透半反射镜，该第一激光器通过该多块半透半反射镜为该第一干涉测量模块和该第二干涉测量模块提供激光源，该第一干涉测量模块和该第二干涉测量模块设置于该工件台的周侧，该控制系统分别与该第一激光器、该第一干涉测量模块和该第二干涉测量模块电性连接，该控制系统根据差分干涉测量光路计算出该工件台的坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差；定义该工件台的宽度方向为第一方向，定义该工件台的长度方向为第二方向，该第一方向垂直于该第二方向；该第一干涉测量模块沿着第一方向发出测量光路，该第二干涉测量模块沿着第二方向发出测量光路。

在本发明的实施例中，上述干涉光学系统还包括第二激光器、第二透镜、第三透镜、第二分光镜和微缩物镜，该第二透镜与该第三透镜形成4F成像系统，该衍射光学器件设置于该第二透镜与该第三透镜之间，该第二激光器发出的激光依次经过该第二透镜、该衍射光学器件、该第三透镜、该第二分光镜和该微缩物镜，并在该光刻基片上形成干涉曝光场。

在本发明的实施例中，上述干涉光学系统还包括光束整形器和检测光路，该光束整形器设置于该第二激光器与该第二透镜之间，该检测光路设置于该第二分光镜的透射光路上。

本发明还提供一种大面积纳米光刻方法，该大面积纳米光刻方法利用上述的大面积纳米光刻系统，该方法包括：

提供工件台，并在该工件台上设置待光刻的光刻基片；

提供位置反馈系统，利用该位置反馈系统测量和计算该工件台的误差；

提供干涉光学系统，利用该干涉光学系统对该光刻基片进行干涉光刻，该干涉光学系统包括衍射光学器件；以及

提供控制系统，该控制系统分别与该工件台、该位置反馈系统和该干涉光学系统电性连接；利用该控制系统控制该衍射光学器件的运动，用以补偿该工件台的误差。

在本发明的实施例中，该工件台的误差包括坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差,利用该控制系统控制该衍射光学器件沿着垂直光轴的方向平移，用以补偿该工件台坐标定位误差；利用该控制系统控制该衍射光学器件绕着光轴旋转，用以补偿该工件台航向角误差；利用该控制系统控制该衍射光学器件沿着光轴的方向移动，用以补偿该工件台横摆角和/或俯仰角误差。

在本发明的实施例中，在该工件台上设置基准光栅，并使该基准光栅与该光刻基片固定设置，在该基准光栅的上方设置二维光栅；

利用光源照射使该二维光栅与该基准光栅之间形成可识别的莫尔图案；

利用图像获取模块识别该莫尔图案，并将该莫尔图案的变化进行量化分析计算出该工件台的坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差。

在本发明的实施例中，在该工件台的周侧设置第一干涉测量模块和第二干涉测量模块，利用该控制系统根据差分干涉测量光路计算出该工件台的坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差。

本发明的的大面积纳米光刻系统的工件台上设有待光刻的光刻基片；位置反馈系统用于测量和计算工件台的误差；干涉光学系统用于产生干涉曝光场，对光刻基片进行干涉光刻，干涉光学系统包括衍射光学器件；控制系统分别与工件台、位置反馈系统和干涉光学系统电性连接；控制系统控制衍射光学器件的运动，用以补偿该工件台的误差。本发明大面积纳米光刻系统能实现干涉光场之间的高进度拼接，达到大面积纳米结构高精度制备的目的。

附图说明

图1是本发明第一实施例的大面积纳米光刻系统的结构示意图。

图2a和图2c是本发明的工件台在移动过程出现误差时的示意图。

图3a至图3c是本发明的衍射光学器件不同调整状态的示意图。

图4a至图4c是本发明的光刻过程中出现的不同误差的示意图。

图5a至图5c是通过莫尔图形检测误差的示意图。

图6是本发明第二实施例的位置反馈系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。

第一实施例

图1是本发明第一实施例的大面积纳米光刻系统的结构示意图。如图1所示，大面积纳米光刻系统100包括工件台10、位置反馈系统20、干涉光学系统30和控制系统40。

图2a和图2c是本发明的工件台在移动过程出现误差时的示意图。如图2a至图2c所示，工件台10上设有待光刻的光刻基片11，工件台10可沿着两个方向移动，用以满足纳米结构的拼接功能。定义工件台10的宽度方向为第一方向X，定义工件台10的长度方向为第二方向Y，定义工件台10的高度方向为第三方向Z，其中第一方向X垂直于第二方向Y，第三方向Z垂直于第一方向X和第二方向Y。本发明选用两轴工件台10，即工件台10可沿着第一方向X和第二方向Y移动。当工件台10在移动过程中，工件台10会出现误差，该误差包括坐标定位、航向角(Yaw)、横摆角(Roll)、俯仰角(Pitch)和正交等误差，其中工件台10的坐标(如图2a所示)会造成图形的位相差误差，工件台10的航向角(如图2b所示)会造成图形拼接的角度误差，工件台10的横摆角和俯仰角误差(如图2c所示)会造成图形的周期误差，这些误差均会影响图形的拼接精度。

如图1所示，位置反馈系统20包括光源21、图像获取模块22、基准光栅23a、二维光栅23b、多块第一透镜24和第一分光镜25。基准光栅23a设置在工件台10上，基准光栅23a与光刻基片11固定设置，也就是说，在工件台10移动的过程中基准光栅23a与光刻基片11的相对位置不发生改变。二维光栅23b设置在基准光栅23a的上方，二维光栅23b与基准光栅23a之间的间距小于1mm。光源21照明使二维光栅23b与基准光栅23a之间形成可识别的莫尔图案，图像获取模块22识别莫尔图案，并将莫尔图案进行量化分析计算出工件台10的坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差。图像获取模块22设置于二维光栅23b的上方，多块第一透镜24设置于图像获取模块22与二维光栅23b之间，第一分光镜25设置与多块第一透镜24之间，光源21设置于第一分光镜25的一侧，光源21发出的光通过第一分光镜25射向二维光栅23b和基准光栅23a。

在本实施例中，为了达到纳米尺度的检测分辨率，基准光栅23a与二维光栅23b无需达到纳米尺度，优选周期为20μm的光栅，通过莫尔图形的插值细分，可以达到10nm以下检测分辨率。

基准光栅23a与二维光栅23b之间形成的二维莫尔图形变化与两光栅之间的相对位置变化具有对应关系，例如，基准光栅23a与二维光栅23b相对平移，会使莫尔图形产生相应的平移；基准光栅23a与二维光栅23b之间的平行度变化，莫尔条纹的周期会产生变化；基准光栅23a与二维光栅23b之间角度变化，莫尔图形会产生转动。在实际中，莫尔图形的变化是上述几种情况的组合，图像获取模块22需要对其变化进行分解和计算，以确定坐标、航向角、横摆角和俯仰角的变化数据。莫尔原理是数据计算方法的依据，其具体数值与光栅、光学系统、图像获取模块22等参数有关，具体计算方法不在本发明中描述。

如图1所示，干涉光学系统30包括第二激光器31、光束整形器32、第二透镜33、第三透镜34、衍射光学器件35(Diffractive Optical Elements；DOE)、第二分光镜36、微缩物镜37和检测光路38。光束整形器32设置于第二激光器31与第二透镜33之间，第二激光器31发出的激光经过光束整形器32后形成平顶光束。第二透镜33与第三透镜34形成4F成像系统，衍射光学器件35设置于第二透镜33与第三透镜34之间，检测光路38设置于第二分光镜36的透射光路上，第二激光器31发出的激光依次经过光束整形器32、第二透镜33、衍射光学器件35、第三透镜34、第二分光镜36和微缩物镜37，并在光刻基片11上形成干涉曝光场。衍射光学器件35的调制端到光刻基片11表面的结构光场是一个微缩干涉过程，微缩的比例优选为10～200倍，输出面的平移调节的比例为1/(微缩倍数*2)，取向角调节的比例为1，周期调节的比例由第二透镜33和第三透镜34组成的4F系统的参数和微缩比例共同确定。第二激光器31可选用气体激光器、固体激光器、准分子激光器，例如，对于100nm以上的结构，可选近紫外波段(NUV)的氦镉激光器(325nm)、YAG固体激光器(355nm)、准分子激光器(308nm)等；对于100nm以下微结构，需采用波长更短的深紫外(DUV)光源21，如266nm固体激光器、准分子激光器(248nm、197nm、157nm)等。

在本实施例中，衍射光学器件35具有多自由度移动功能，具体是沿光轴101向方向移动、绕光轴101旋转、垂直光轴101平移，衍射光学器件35轴向运动，干涉光场在光刻基片11表面形成周期的变化，例如衍射光学器件35绕光轴101旋转，干涉光场方位取向角度变化；衍射光学器件35在垂直光轴101平移，干涉光场中的结构分布也做相应的平移。

图3a至图3c是本发明的衍射光学器件不同调整状态的示意图。图4a至图4c是本发明的光刻过程中出现的不同误差的示意图。图5a至图5c是通过莫尔图形检测误差的示意图。请参照图3a至图5c，控制系统40分别与工件台10、位置反馈系统20和干涉光学系统30电性连接，具体地，控制系统40分别与工件台10、光源21、图像获取模块22、衍射光学器件35、检测光路38电性连接。控制系统40控制衍射光学器件35的运动，用以补偿工件台10的误差，例如，图4a中图①是上一幅已光刻完成的图像，图②是下一幅存在坐标定位误差的图像，图5a所示是通过莫尔图形检测到坐标定位误差，图3a所示是控制系统40控制衍射光学器件35沿着垂直光轴101的方向平移，用以补偿工件台10存在的坐标定位误差；图4b中图①是上一幅已光刻完成的图像，图②是下一幅存在航向角误差的图像，图5b所示是通过莫尔图形检测到航向角误差，图3b所示是控制系统40控制衍射光学器件35绕着光轴101旋转，用以补偿工件台10的航向角误差；图4c中图①是上一幅已光刻完成的图像，图②是下一幅存在横摆角和/或俯仰角误差的图像，图5c所示是通过莫尔图形检测到横摆角和/或俯仰角误差，图3c所示是控制系统40控制衍射光学器件35沿着光轴101的方向移动，用以补偿工件台10横摆角和/或俯仰角误差。在本实施例中，控制系统40例如为计算机，但并不以此为限。

本发明的大面积纳米光刻系统100通过位置反馈系统20计算工件台10的位置信息，并通过调整干涉光学系统30的衍射光学器件35形成闭环控制，在工件台10运行过程中，可以准确分析出光刻基片11当前位置与理论位置的误差，能满足要求的坐标测量精度范围为0.1nm～300nm，优选为1nm～100nm；航向角、横摆角和俯仰角的测量精度为0.1～10arcsec；其变化的分辨率和精度可以达到补偿上述误差的要求。对光刻基片11进行曝光，工件台10在运行过程中，干涉光学系统30与光刻基片11之间步进运动，重复工件台10的坐标、航向角、横摆角和俯仰角检测、衍射光学器件35调整补偿、曝光的步骤，实现干涉光场之间的高进度拼接，达到大面积纳米结构高精度制备的目的，能够有效解决数字全息干涉光刻的光场拼接问题。

第二实施例

图6是本发明第二实施例的位置反馈系统的结构示意图。如图6所示，本实施例的大面积纳米光刻系统100与第一实施例的大面积纳米光刻系统100的结构大致相同，不同点在于位置反馈系统20的结构不同。

具体地，如图4所示，位置反馈系统20包括第一激光器26、第一干涉测量模块27、第二干涉测量模块28和多块半透半反射镜29。第一激光器26通过多块半透半反射镜29为第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28提供激光源，第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28设置于工件台10的周侧，控制系统40分别与第一激光器26、第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28电性连接，控制系统40根据差分干涉测量光路计算出工件台10的坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差。第一干涉测量模块27沿着第一方向X发出测量光路，第二干涉测量模块28沿着第二方向Y发出测量光路。

第三实施例

本发明还涉及一种大面积纳米光刻方法，该大面积纳米光刻方法利用上述的大面积纳米光刻系统100，该方法包括：

步骤一，提供工件台10，并在工件台10上设置待光刻的光刻基片11。

步骤二，提供位置反馈系统20，利用位置反馈系统20计算工件台10的误差。

在本实施例中，位置反馈系统20包括光源21、图像获取模块22、基准光栅23a、二维光栅23b、多块第一透镜24和第一分光。基准光栅23a设置在工件台10上，基准光栅23a与光刻基片11固定设置，也就是说，在工件台10移动的过程中基准光栅23a与光刻基片11的相对位置不发生改变。二维光栅23b设置在基准光栅23a的上方，二维光栅23b与基准光栅23a之间的间距小于1mm。光源21照明使二维光栅23b与基准光栅23a之间形成可识别的莫尔图案，图像获取模块22识别莫尔图案，并将莫尔图案进行量化分析计算出工件台10的误差，其中误差包括坐标定位误差、航向角误差、横摆角误差和俯仰角误差。图像获取模块22设置于二维光栅23b的上方，多块第一透镜24设置于图像获取模块22与二维光栅23b之间，第一分光镜25设置与多块第一透镜24之间，光源21设置于第一分光镜25的一侧，光源21发出的光通过第一分光镜25射向二维光栅23b和基准光栅23a。

在另一较佳的实施例中，位置反馈系统20包括第一激光器26、第一干涉测量模块27、第二干涉测量模块28和多块半透半反射镜29。第一激光器26通过多块半透半反射镜29为第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28提供激光源，第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28设置于工件台10的周侧，控制系统40分别与第一激光器26、第一干涉测量模块27和第二干涉测量模块28电性连接，控制系统40根据差分干涉测量光路计算出工件台10的坐标、航向角、横摆角和俯仰角。第一干涉测量模块27沿着第一方向X发出测量光路，第二干涉测量模块28沿着第二方向Y发出测量光路。

步骤三，提供干涉光学系统30，利用干涉光学系统30对光刻基片11进行干涉光刻，干涉光学系统30包括衍射光学器件35(Diffractive Optical Elements；DOE)。

在本实施例中，干涉光学系统30还包括第二激光器31、光束整形器32、第二透镜33、第三透镜34、第二分光镜36、微缩物镜37和检测光路38。光束整形器32设置于第二激光器31与第二透镜33之间，第二激光器31发出的激光经过光束整形器32后形成平顶光束。第二透镜33与第三透镜34形成4F成像系统，衍射光学器件35设置于第二透镜33与第三透镜34之间，检测光路38设置于第二分光镜36的透射光路上，第二激光器31发出的激光依次经过光束整形器32、第二透镜33、衍射光学器件35、第三透镜34、第二分光镜36和微缩物镜37，并在光刻基片11上形成干涉曝光场。

步骤四，提供控制系统40，控制系统40分别与工件台10、位置反馈系统20和干涉光学系统30电性连接；利用控制系统40控制衍射光学器件35运动，用以补偿工件台10的误差。

具体地，利用控制系统40控制衍射光学器件35沿着垂直光轴101的方向平移，用以补偿工件台10坐标定位误差；利用控制系统40控制衍射光学器件35绕着光轴101旋转，用以补偿工件台10航向角误差；利用控制系统40控制衍射光学器件35沿着光轴101的方向移动，用以补偿工件台10横摆角和/或俯仰角误差。

本发明的大面积纳米光刻系统100的工件台10上设有待光刻的光刻基片11；位置反馈系统20用于测量和计算工件台10的误差；干涉光学系统30用于产生干涉曝光场，对光刻基片11进行干涉光刻，干涉光学系统30包括衍射光学器件35；控制系统40分别与工件台10、位置反馈系统20和干涉光学系统30电性连接；控制系统40控制衍射光学器件35运动，用以补偿工件台10的误差。本发明大面积纳米光刻系统100能实现干涉光场之间的高进度拼接，达到大面积纳米结构高精度制备的目的。

本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。