一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統的製作方法

2024-02-02 19:30:15 2

專利名稱：一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光刻設備領域，可以實現在紫外光源下，進行高速掃描納米直寫光刻 的功能。
背景技術：
光刻技術在半導體、光電子、生物晶片等生產、科研領域具有廣泛應用，其光刻分 辨力也是影響這些領域發展的重要瓶頸。目前，納米光刻的源頭技術只要是雷射直寫光刻、 電子束/離子束直寫光刻。由於衍射極限限制，雷射直寫光刻分辨力只能達到亞微米量級， 目前高分辨力的掩模製備主要通過電子束/離子束直寫光刻。電子束/離子束直寫光刻 設備結構複雜，設備成本及維護成本很高，因此高分辨力掩模價格高昂，限制半導體、光電 子、生物晶片等領域的發展。超分辨光刻技術是近幾年發展起來的一種新型的光刻技術，它 利用結構圖形表面激發的倏逝波來對光刻膠進行感光的，由於倏逝波波長比照明光波長要 短得多，所以能突破傳統光刻存在衍射極限的問題，實現遠小于波長的超分辨光刻解析度。 由於近場納米聚焦需要保證聚焦器件與基片之間間隙為幾十納米，使得其間隙控制變得困 難，精密調節時耗時長。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對納光子(納米光斑近場聚焦)直寫光刻，採用一 種精密旋轉定位調焦系統，解決直寫頭與基片無法主動調節間距至近場倏逝波作用範圍的 問題以及近場直寫式光刻實現基片更換的問題。本發明解決其技術問題所採用的技術方案一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦 系統包括基片臺1、基片6和直寫頭5 ；所述直寫頭調節裝置包括Z向直寫頭調節裝置2、 直寫頭旋轉軸3、直寫頭懸臂4 ；基片臺1負責承載基片6，基片臺1通過真空吸附使基片6 固定在基片臺1上方表面，保證基片臺1高速旋轉時基片6不會偏移或甩出；基片臺1下方 安裝有基片臺旋轉軸21，旋轉電機控制旋轉軸21的高速轉動，實現基片6與基片臺1的高 速旋轉；直寫頭懸臂4 一端連接直寫頭5，另一端安裝在Z向位移調節裝置2上，Z向位移調 節裝置2安裝於直寫頭旋轉軸3上，通過電機控制直寫頭旋轉軸3的旋轉，實現直寫頭5旋 轉範圍0 90°。所述直寫頭5採用空氣動力學原理設計結構，其基底呈正方體形狀，在基底上加 工一字形和U形凸起結構以保證氣流的流向，在U形開口處通過濺射沉積製備多層納米膜 近場聚焦結構以實現超衍射光斑聚焦，保證直寫頭5在氣流作用下可以平穩浮起。所述的基片臺旋轉軸21的高速轉動，轉速SSOOOrpm，實現基片6與基片臺1的高 速旋轉，轉速< 8000rpm。所述Z向直寫頭調節裝置2實現範圍15mm的調節範圍，採用雙頻雷射幹涉儀6作 為測量系統保證Z向直寫頭調節裝置2定位精度< 20nm。所述直寫頭懸臂4根據彈性力學設計結構，採用合金金屬製備，直寫頭懸臂由上懸臂11與下懸臂12組成，下懸臂12與上懸臂11通過螺釘14旋緊固定，形狀近似三角形， 為了減輕重量中間加工鏤空結構。所述直寫頭5採用藍寶石作為材料，該材料在紫外波段具有較高的透過率。所述基片臺1加工有三圈同心圓形凹槽，圓形凹槽通過十字形凹槽連接在一起， 在十字凹槽的交點與三圈圓形凹槽的圓心重合，吸附氣孔20加工在十字凹槽焦點處。本發明與現有技術相比的優點如下本發明的納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系 統可以將直寫頭、基片之間的距離控制在近場光作用範圍，實現近場光刻；採用高速旋轉工 件臺與直寫頭調節裝置配合，可以實現高速直寫式光刻。該光刻採用紫外光作為光源，利用 近場光可以突破衍射極限的原理，是一種高效率、低成本的納米級光刻技術，具有廣闊的應 用前景。


圖1為本發明的俯視圖；圖2為本發明的側視圖；圖3為本發明的直寫頭的結構圖；圖4為本發明的直寫頭懸臂的結構圖；圖5為本發明的直寫頭調節裝置的結構圖；圖6為本發明的基片臺的俯視結構圖；圖7為本發明基片臺的三維立體示意圖。圖中1為基片臺，2為Z向直寫頭調節裝置，3為直寫頭旋轉軸，4為直寫頭懸臂，5 為直寫頭，6為基片，7為紫外光照明區域，8為一字形凸起結構，9為U形凸起結構，10為多 層納米膜近場聚焦結構，11為直寫頭上懸臂，12為直寫頭下懸臂，13為懸臂連接件，14為緊 固螺釘，15為Z向壓電陶瓷驅動器，16為電磁線圈，17為驅動電路，18為轉動限位件，19為 通氣凹槽，20為吸附氣孔，21為基片臺旋轉軸。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發明實施例由基片臺1，Z向直寫頭調節裝置2，直寫頭旋轉軸3， 直寫頭懸臂4，直寫頭5四個部分組成，可以精密控制直寫頭5與基片臺1的位置，工作時保 證基片與直寫頭5間距在近場光作用範圍內。如圖1、6基片臺1表面加工有氣孔20及通氣凹槽19結構，可以均勻吸附基片6， 保證基片臺1高速旋轉時基片6不會偏移或甩出，基片臺旋轉軸21帶動基片臺1進行高速 轉動，轉速< 8000rpm。基片臺旋轉軸21由電機控制實現速度連續可調的轉動以保證基片 工作時不同半徑處線速度一致。基片臺1轉動跳動度要求在IOOnm內，具有很高的平穩性。Z向直寫頭調節裝置2負責實現Z向納米移動，直寫頭旋轉軸3負責實現繞Z軸的 精密轉動。Z向納米移動通過壓電陶瓷驅動器15控制的納米移動臺實現，採用雙頻雷射幹 涉以作為測量反饋系統可以保證Z向直寫頭調節裝置2實現彡20nm精確定位。繞Z軸的 轉動通過驅動電路17控制電磁線圈16，轉動定位精度可以達到1」，最大轉動量為90°，並 設置轉動限位件18保證轉動範圍。直寫頭懸臂4負責支撐直寫頭5。直寫頭5工作時由於氣流作用浮起，從而對直寫頭懸臂4產生力，直寫頭懸臂4發生形變，變形力又作用於直寫頭5使其與基片6間隙控 制在18 40nm範圍。Z向直寫頭調節裝置2驅動直寫頭懸臂4進行精密轉動，與基片臺1 轉動配合，可以實現整個基片6的直寫式光刻。為了實現紫外光刻，採用藍寶石材料進行直寫頭5加工。該材料對紫外光具有較 高透過率，且質地堅硬不易磨損。如圖3所示，直寫頭4採用空氣動力學原理設計結構，直寫頭4的基底呈正方體形 狀，在基底7上加工一字形凸起結構8和U形凸起結構9以保證氣流的流向，在U形開口處 通過濺射沉積製備多層納米膜近場聚焦結構10以實現超衍射光斑聚焦，保證直寫頭5在氣 流作用下可以平穩浮起。如圖4所示，直寫頭懸臂3根據彈性力學設計結構，採用合金金屬製備，直寫頭懸 臂3由上懸臂11與下懸臂12組成，下懸臂12與上懸臂11通過懸臂連接件13和緊固螺釘 14旋緊固定，形狀近似三角形，為了減輕重量中間加工鏤空結構。如圖5所示，直寫頭調節裝置包括Z向位移調節裝置2、直寫頭旋轉軸3和直寫頭 懸臂4，直寫頭懸臂4安裝在Z向位移調節裝置2上，Z向位移調節裝置2由壓電陶瓷驅動 15，實現彡5nm的移動精度；Z向位移調節裝置2安裝於直寫頭旋轉軸承3上，採用三相電 機控制旋轉臂的旋轉，旋轉範圍0 90°。如圖6所示，基片臺1加工有通氣凹槽19，通氣凹槽19由三圈同心圓形凹槽以及 十字形凹槽組成，圓形凹槽通過十字形凹槽連接在一起，十字凹槽的交點與三圈圓形凹槽 的圓心重合，吸附氣孔20加工在十字凹槽焦點處。如圖7所示，基片臺1按轉在基片臺旋轉軸21上，通過旋轉電機控制基片臺旋轉 軸21的高速旋轉，實現基片臺1及基片6的高速轉動。本發明的整個工作過程工作開始前，電磁線圈16控制直寫頭5及其懸臂4處於 初始位置，改初始位置保證直寫頭5及其懸臂4不位於基片臺1上空；工作開始後，將基片 6放置在基片臺1上，調節基片6位置，使兩者的中心重合，基片臺1通過吸附氣孔20的真 空吸附作用將基片6固定於基片臺1上，電磁線圈16控制直寫頭懸臂4旋轉90°，Z向壓 電陶瓷驅動器15驅動直寫頭懸臂4緩慢下降，直至直寫頭5與基片6間隙為lOnm，直寫頭 懸臂4停止下降；基片臺1在旋轉軸21的帶動下高速旋轉，旋轉產生的氣流使得直寫頭5 向上浮起一定距離，保證工作時直寫頭5與基片臺1的間隙在18nm 40nm。
權利要求
1.一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於包括基片臺(1)、基片(6) 和直寫頭(5)；所述直寫頭調節裝置包括Z向直寫頭調節裝置O)、直寫頭旋轉軸(3)、直寫 頭懸臂；基片臺(1)負責承載基片(6)，基片臺(1)通過真空吸附使基片(6)固定在基 片臺(1)上方表面，保證基片臺(1)高速旋轉時基片(6)不會偏移或甩出；基片臺(1)下方 安裝有基片臺旋轉軸(21)，旋轉電機控制基片臺旋轉軸的高速轉動，實現基片(6)與 基片臺(1)的高速旋轉；直寫頭懸臂(4) 一端連接直寫頭(5)，另一端安裝在Z向位移調節 裝置⑵上，Z向位移調節裝置(2)安裝於直寫頭旋轉軸(3)上，通過電機控制直寫頭旋轉 軸⑶的旋轉，實現直寫頭(5)旋轉範圍O 90°。
2.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述直寫頭(5)的基底呈正方體形狀，在基底上加工一字形和U形凸起結構以保證氣流的流 向，在U形開口處通過濺射沉積製備多層納米膜近場聚焦結構以實現超衍射光斑聚焦，保 證直寫頭( 在氣流作用下可以平穩浮起。
3.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述的基片臺旋轉軸的高速轉動，轉速SSOOOrpm，實現基片(6)與基片臺(1)的高速旋 轉,轉速< 8000rpmo
4.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述Z向直寫頭調節裝置(2)實現範圍15mm的調節範圍，採用雙頻雷射幹涉儀作為測量系統 保證Z向直寫頭調節裝置O)的定位精度彡20nm。
5.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述直寫頭懸臂由上懸臂(11)與下懸臂(12)組成，下懸臂(12)與上懸臂(11)通過螺 釘(14)旋緊固定；所述直寫頭懸臂(4)形狀近似三角形，以減輕重量中間加工鏤空結構。
6.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述直寫頭(4)採用藍寶石作為材料，該材料在紫外波段具有較高的透過率。
7.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於基 片臺(1)加工有三圈同心圓形凹槽，圓形凹槽通過十字形凹槽連接在一起，在十字凹槽的 交點與三圈圓形凹槽的圓心重合，吸附氣孔00)加工在十字凹槽焦點處。
8.根據權利要求1所述的一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，其特徵在於所 述直寫頭(5)與基片(6)之間的間隙保持在18 40nm範圍。
全文摘要
一種納光子直寫頭精密旋轉定位調焦系統，屬於直寫光刻設備領域，(1)直寫頭調節裝置可以進行納米級Z向移動；(2)直寫頭調節裝置可以進行0～90°轉動；(3)基片臺可以進行高速轉動；(4)直寫頭懸臂具有一定彈性變形量；(5)直寫頭採用空氣動力學原理設計結構，可以在基片臺轉動產生的氣流作用下浮起基片表面。基片臺高速轉動時產生的氣流可以實現直寫頭浮起基片表面幾十納米範圍，保證光刻時兩者距離處於近場倏逝波作用範圍，突破衍射極限限制，實現高分辨力的光刻結果。
文檔編號G03F7/207GK102073225SQ20111003832
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月14日 優先權日2011年2月14日
發明者馮沁, 劉堯, 楊歡, 王長濤, 羅先剛, 賴之安, 邢卉 申請人:中國科學院光電技術研究所