孙明睿，甄万财

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

传统的接触式光刻工艺和投影式光刻工艺都需要制作掩模版，实现光刻图形由掩模版到基片的翻刻，适合批量大、刻蚀面为平面的半导体产品的生产工艺，但对于产品研发试制，尤其刻蚀面为球面等非平面时，则不太适用，且投入成本大，耗费周期长。

本文主要论述了一种可动态调焦的激光直写式光刻系统，该系统中紫外半导体激光器发出的光束经过扩束整形、动态调焦、二维x/y 振镜反射和f-theta 透镜的映射聚焦，使激光束的焦点位置能在x、y、z 三维空间中精确移动，实现平面或非平面器件上相应位置的光刻胶感光，直接完成整片的光刻工艺。本文的激光直写式光刻工艺主要用于曲面栅网器件的直写式光刻工艺。

1 激光直写式光刻光路

该激光直写式光刻系统的光路主要包括激光器、扩束整形部分、大范围调焦部分、动态调焦部分、x/y 二维振镜和f-theta 透镜部分，其整体光路结构示意图如图1 所示。

图1 激光直写式光刻光路示意图

1.1 紫外激光器

用于光刻工艺的紫外激光器所需的功率不是很大，一般就几十毫瓦以内，通过倍频方式获得的355 nm 波长的紫外光束质量一般较好，而405 nm等波长的激光一般需要额外校正光束质量因子，且加入脉冲控制单元，才能满足使用要求。

1.2 扩束整形单元

激光器的扩束整形一般有两种，一种是开普勒结构，光束经前镜组后会在前后镜组之间产生会聚光斑，积聚热量，而伽利略结构使激光束的波阵面发散重构，不形成会聚的焦点，更加有利于扩束校正，如图2 所示。

图2 伽利略扩束结构

1.3 大范围调焦单元

大范围调焦单元包括沿z 向设置的两个反射镜，如图3 所示，通过它们在z 向一定范围内的相对位置调整，实现了光路在z 向的延长，针对不同深度的器件方便调整激光束的焦点位置，因为激光经扩束后的束腰位置距离扩束输出端位置很远，调焦单元反射镜相对位置的调整不会对波阵面位置的改变有很大影响，可以忽略不计。

图3 大范围调焦单元

1.4 动态调焦单元

动态调焦单元(见图4)在大范围调焦单元中反射镜2 的后面，包括一个负透镜前组和一个正透镜后组，通过电机带动前镜组前后移动，实现前镜组与反射镜2 及后镜组的间距改变，从而微小地改变激光光束通过动态调焦单元后的发散角及波面中心的曲率半径，与后续的x/y 振镜扫描系统和f-theta 透镜结合，实时地改变了激光束通过后的束腰位置，从而使工作面聚焦点位置在z 向一定范围内精确地实时改变。

图4 动态调焦单元

1.5 x/y 振镜反射单元

x/y 振镜反射单元如图5 所示，包括两个按一定位置摆放的由电机带动旋转的反射镜，通过电机带动振镜摆动，与后续的f-theta 透镜配合，实现了激光束方向和位置的实时改变，并且振镜的摆动角度与激光束焦点在x、y 方向上的聚焦位置有一个线性量化关系，便于对激光聚焦点位置的控制。因为两个振镜有一定的间距，同样的摆动角度在x、y 方向上的行进距离会产生差异，产生运动轨迹上的枕形畸变，需要用电机的摆动角度与焦点位置进行校正，消除它带来的位置误差。

图5 x/y 振镜反射单元示意图

1.6 f-theta 透镜组单元

图6 f-theta 透镜组单元示意图

f-theta 透镜组单元示意图如图6 所示，激光光束通过振镜系统后，根据振镜系统的摆动角不同，实现光束在工作面上的扫描和聚焦。普通平行光入射的成像镜头像高与出射角的关系为：

而对于f-theta 镜头，像高与出射角的关系为：

因此f-theta 透镜产生的振镜摆动角与聚焦点之间是一种线性对应关系，相比传统的成像镜头像高与出射角的对应关系，因为

所以f-theta 透镜相当于引入了正畸变，以实现这种对应关系，如图7 所示，随着摆动角度的增大，引入的正畸变的数值也要相应的增大其线性畸变的数值为：

图7 f-theta 透镜引入正畸变的变化趋势

将式(2)对时间进行微分，得：

ω 是振镜扫描转动的角速度，从式(5)可知，激光束焦点在工作面上的扫描速度v 与f-theta 透镜的焦距f '和振镜转动的角速度ω 成正比。

2 总 结

本文提出了一种可动态调焦的激光直写式光刻光路系统，并从原理上分析了扩束、动态调焦、x/y 振镜、f-theta 透镜的原理和所起的作用。该系统可实现x/y 二维扫描振镜±5.5°范围与工作台±55 mm 范围内激光束焦点的准确线性映射关系，定位误差小于±6 μm，通过动态调焦模块，还可以使工作面的位置在z 轴方向±4 mm 范围内改变时，激光束仍可实时的精确聚焦。

该系统的激光束焦点尺寸在整个工作视场范围内不大于40 μm，可用于一些曲面栅网等分辨率要求不是太高的器件的直写式光刻工艺，提高加工精度，加快器件的研发速度。

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